În 2021, observatorul NASA este de nouă generație Telescopul spațial James Webb (JWST), va duce în spațiu. Odată operațională, această misiune emblematică va ridica locurile precum alte telescoape spațiale Hubble, Kepler, și Spitzer - rămas. Acest lucru înseamnă că, pe lângă investigarea unora dintre cele mai mari mistere cosmice, va căuta și exoplanete potențial locuibile și va încerca să caracterizeze atmosfera lor.
Aceasta face parte din ceea ce diferențiază JWST de predecesorii săi. Între capacitatea sa de înaltă sensibilitate și imagini infraroșii, va putea să adune date despre atmosfere exoplanetare ca niciodată. Cu toate acestea, așa cum a arătat recent un studiu susținut de NASA, planetele care au atmosfere dense ar putea avea și o acoperire extinsă a norilor, ceea ce ar putea complica încercările de a aduna unele dintre cele mai importante date dintre toate.
Ani de zile, astronomii au folosit fotometria în tranzit (de asemenea, metoda de tranzit) pentru a detecta exoplanetele monitorizând stele îndepărtate pentru scufundări în luminozitate. Această metodă s-a dovedit utilă și în determinarea compoziției atmosferice a unor planete. Pe măsură ce aceste corpuri trec în fața stelelor lor, lumina trece prin atmosfera lor, a cărei spectre este apoi analizată pentru a vedea ce elemente chimice există.
Până în prezent, această metodă a fost utilă atunci când observați planetele masive (gigantii cu gaz și „Super Jupiters”) care își orbitează soarele la distanțe mari. Cu toate acestea, observarea planetelor mai mici și stâncoase (adică „asemănătoare Pământului”) care orbitează mai aproape de soarele lor - ceea ce le-ar pune în zona locuibilă a stelei - a depășit capacitățile telescoapelor spațiale.
Din acest motiv, comunitatea astronomică a așteptat cu nerăbdare ziua în care vor fi disponibile telescoape de nouă generație precum JWST. Examinând spectrele de lumină care trec prin atmosfera unei planete stâncoase (o metodă cunoscută sub denumirea de spectroscopie de transmisie), oamenii de știință vor putea să caute indicatorii indicanți ai gazelor de oxigen, dioxidului de carbon, metanului și altor semne asociate vieții (de asemenea, „biosignatures” „).
Un alt element critic pentru viață (așa cum îl știm) este apa, astfel încât semnăturile de vapori de apă din atmosfera unei planete sunt o țintă principală pentru sondajele viitoare. Dar într-un nou studiu condus de Thaddeus Komacek, un coleg postdoctoral cu Departamentul de Științe Geofizice de la Universitatea din Chicago, este posibil ca orice planetă cu apă de suprafață abundentă să aibă și nori abundenți (particule de gheață condensatoare) în atmosfera sa. .
În numele acestui studiu, Komacek și colegii săi au examinat dacă acești nori vor interfera cu încercările de a detecta vaporii de apă în atmosfera exoplanetelor terestre. Datorită numărului de exoplanete stâncoase care au fost descoperite în zonele locuibile ale stelelor de tip M (pitic roșu) în ultimii ani - precum Proxima b - piticele roșii vecine vor fi un punct principal al studiilor viitoare.
După cum a explicat Komack la Space Magazine prin e-mail, planetele blocate în ordine, care orbitează stele pitice roșii, sunt potrivite studiilor care implică spectroscopie de transmisie - și din mai multe motive:
„Planete de tranzit care orbitează stele pitice roșii sunt ținte mai favorabile decât cele care orbitează stele asemănătoare Soarelui, deoarece raportul dintre dimensiunea planetei și dimensiunea stelei este mai mare. Mărimea semnalului în scale de transmisie ca pătrat al raportului dintre dimensiunea planetei și dimensiunea stelei, astfel încât există un impuls semnificativ în semnalul care merge către stele mai mici decât Pământul.
„Un alt motiv pentru care planetele care orbitează stele pitice roșii sunt mai favorabile de observat este acela că„ zona locuibilă ”sau unde ne așteptăm să existe apă lichidă pe suprafața planetei, este mult mai aproape de stea… Din cauza acestor Orbitele mai apropiate, planetele stâncoase locuibile care orbitează stele pitice roșii își vor tranzita steaua mult mai des, ceea ce permite observatorilor să efectueze multe observații repetate.“
Având în vedere acest lucru, Komacek și echipa sa au folosit două modele împreună pentru a genera spectre de transmisie sintetică a planetelor blocate în mod în jurul stelelor de tip M. Primul a fost ExoCAM dezvoltat de Dr. Eric Wolf de la Laboratorul pentru fizică spațială și atmosferică (LASP) al Universității Colorado, un model comunitar de sistem terestru (CESM) utilizat pentru a simula climatul Pământului, care a fost adaptat pentru a studia atmosfera exoplanetă.
Folosind modelul ExoCAM, au simulat climatul planetelor stâncoase orbitând stele pitice roșii. În al doilea rând, au folosit generatorul de spectru planetar dezvoltat de Centrul de zbor spațial Goddard al NASA pentru a simula spectrul de transmisie pe care JWST l-ar detecta de pe planeta lor simulată. După cum a explicat Komacek:
„Aceste simulări ExoCAM au calculat distribuțiile tridimensionale ale temperaturii, raportului de amestecare a vaporilor de apă și a particulelor de nor de apă lichidă și de gheață. Am descoperit că planetele care orbitează stele pitice roșii sunt mult mai înnorate decât Pământul. Acest lucru se datorează faptului că întreaga lor zi de zi are un climat similar cu tropicele Pământului și astfel vaporii de apă ajung ușor la sub presiune scăzută, unde se pot condensa și forma nori care acoperă o mare parte a zilei planetei ...
„PSG a dat rezultate pentru dimensiunea aparentă a planetei în transmisie, în funcție de lungimea de undă, împreună cu incertitudinea. Analizând modul în care mărimea semnalului s-a schimbat cu lungimea de undă, am putut determina dimensiunea caracteristicilor vaporilor de apă și să le comparăm cu nivelul de incertitudine. ”
Între aceste două modele, echipa a fost capabilă să simuleze planetele cu și fără acoperire de cloud și ce ar putea detecta JWST. În cazul primelor, au descoperit că vaporii de apă din atmosfera exoplanetului vor fi aproape sigur detectabili. Ei au descoperit, de asemenea, că acest lucru ar putea fi făcut pentru exoplanetele de dimensiunea Pământului în doar zece tranzite sau mai puțin.
„[W] găină am inclus efectele norilor, numărul tranzitelor pe care JWST trebuie să le observe pentru a detecta vaporii de apă a crescut cu un factor de la zece la o sută”, a spus Komacek. "Există o limită naturală a numărului de tranzite pe care JWST le poate observa pentru o anumită planetă, deoarece JWST are o durată de viață nominală stabilită de 5 ani, iar observația transmisiei nu poate fi făcută decât atunci când planeta trece între noi și steaua gazdă."
De asemenea, ei au descoperit că impactul acoperirii norului a fost deosebit de puternic cu planetele cu rotire mai lentă în jurul piticilor roșii. Practic, planetele care au perioade orbitale mai lungi de aproximativ 12 zile ar experimenta mai multe formări de nori în zilele lor. „Am descoperit că pentru planetele care orbitează pe o stea precum TRAPPIST-1 (cea mai favorabilă țintă cunoscută), JWST nu va fi în măsură să observe suficiente tranzite pentru a detecta vaporii de apă”, a spus Komacek.
Aceste rezultate sunt similare cu ceea ce au remarcat alți cercetători, a adăugat el. Anul trecut, un studiu condus de cercetătorii de la NASA Goddard a arătat cum acoperirea norului ar face ca vaporii de apă să nu poată fi detectabili în atmosfera planetelor TRAPPIST-1. La începutul acestei luni, un alt studiu susținut de NASA susținut de Goddard a arătat cum norii vor scădea amplitudinea vaporilor de apă până la punctul în care JWST le va elimina ca zgomot de fond.
Dar înainte de a ne gândi că sunt toate veștile proaste, acest studiu prezintă câteva sugestii pentru modul în care aceste limitări ar putea fi depășite. De exemplu, dacă timpul misiunii este un factor, misiunea JWST poate fi extinsă, astfel încât oamenii de știință vor avea mai mult timp pentru a colecta date. Deja, NASA speră să aibă telescopul spațial în funcțiune timp de zece ani, deci o extensie a misiunii este deja o posibilitate.
În același timp, un prag redus semnal-zgomot pentru detectare ar putea permite selectarea mai multor semnale din spectre (deși asta ar însemna și mai multe pozitive false). În plus, Komacek și colegii săi au fost siguri că subliniază că aceste rezultate se aplică numai funcțiilor care se află sub puntea cloud pe exoplanetele:
„Deoarece vaporii de apă sunt prinși în cea mai mare parte sub nivelul norului de apă, acoperirea puternică a norilor de pe planetele care orbitează stele pitice roșii face să fie extrem de dificilă detectarea caracteristicilor apei. Important, este de așteptat ca JWST să fie în măsură să restricționeze prezența constituenților atmosferici cheie precum dioxidul de carbon și metanul în doar o duzină de tranzite sau cam așa ceva.
Încă o dată, aceste rezultate sunt susținute de cercetări anterioare. Anul trecut, un studiu de la Universitatea din Washington a examinat detectabilitatea și caracteristicile planetelor TRAPPIST-1 și a constatat că norii nu vor avea un impact semnificativ asupra detectabilității caracteristicilor oxigenului și ozonului - două biosemnaturi cheie care sunt asociate cu prezența vieții.
Deci, într-adevăr, JWST ar putea avea dificultăți doar în detectarea vaporilor de apă în atmosfere exoplanetare, cel puțin în ceea ce privește acoperirea densă a norilor. Pentru alte biosemnaturi, JWST nu ar trebui să aibă probleme în a-i smulge, nori sau nori. Lucrurile minunate sunt de așteptat să vină de pe Webb, cel mai puternic și sofisticat telescop spațial al NASA până în prezent. Și totul va începe anul viitor!
