2021-ben a NASA következő generációs obszervatóriuma, a James Webb Űrtávcső (JWST), az űrbe kerül. Amint működőképes, ez a zászlóshajó-küldetés felveszi, ahol más űrteleszkópok - például Hubble, Keplerés Spitzer - abbahagyta. Ez azt jelenti, hogy a legnagyobb kozmikus misztériumok kivizsgálása mellett a potenciálisan életképes exoplaneto planákat is kutatja, és megkísérelje jellemezni a légkört.
Ez része annak, ami megkülönbözteti a JWST-t az elődektől. Nagy érzékenység és infravörös képalkotó képességei között, mint még soha, képes lesz adatgyűjtésre az exoplanet légköréről. Amint azonban a NASA által támogatott tanulmány nemrégiben bebizonyította, a sűrű légkörű bolygóknak kiterjedt felhőtakaróik is lehetnek, ami bonyolulttá teheti az összes legfontosabb adat összegyűjtésének kísérletét.
A csillagászok évek óta használják a tranzit fotometriát (más néven a tranzit módszert) az exoplanetek detektálására, a távoli csillagok fényerősségük megfigyelésével történő megfigyelésével. Ez a módszer hasznosnak bizonyult egyes bolygók légköri összetételének meghatározásában. Amint ezek a testek csillagok előtt haladnak, a fény áthalad a légkörükön, amelynek spektrumát ezután elemezzük, hogy megtudjuk, milyen kémiai elemek vannak benne.
Ez a módszer eddig hasznos volt hatalmas bolygók (gáz óriások és „szuper Jupiterök”) megfigyelésekor, amelyek nagy távolságra keringik a napjukat. A napjaikhoz közelebb kerülő, sziklás bolygók (vagyis „földszerű”) megfigyelése azonban - ami a csillag lakhatósági zónájába helyezi őket - meghaladta az űrteleszkópok képességeit.
Ezért a csillagászati közösség várakozással tekint a napra, amikor a következő generációs távcsövek, mint például a JWST elérhetők lesznek. A sziklás bolygó légkörén áthaladó fény spektrumának vizsgálatával (transzmisszióspektroszkópia néven ismert módszer) a tudósok megkutathatják az oxigén-gáz, a szén-dioxid, a metán és az élettel kapcsolatos egyéb jelek visszajelző indikátorait (más néven „bioszignátok”). „).
Az élet másik kritikus eleme (amint azt tudjuk) a víz, tehát a bolygó légkörében a vízgőz aláírása a jövőbeli felmérések fő célja. Egy Thaddeus Komacek, a Chicagói Egyetem Geofizikai Tudományi Tanszékének posztdoktorátus munkatársa által vezetett új tanulmányban elképzelhető, hogy bármely bolygó, ahol bőséges felszíni vizek vannak, bőséges felhőkkel (kondenzációs jégrészecskékkel) rendelkezik a légkörében .
E tanulmány kedvéért Komacek és kollégái megvizsgálták, hogy ezek a felhők nem zavarják-e a vízgőzök felderítésére irányuló kísérleteket a szárazföldi egzoplanetek atmoszférájában. Az utóbbi években az M-típusú (vörös törpe) csillagok élhető zónáin belül felfedezett sziklás exoplanetok száma - mint például a Proxima b - a jövőbeni felmérésekben a szomszédos vörös törpék lesznek a fő hangsúly.
Amint Komack e-mailben elmagyarázta a Space Magazine-nak, az alig zárt bolygók, amelyek vörös törpe csillagokat keringnek, jól alkalmazhatók transzmisszióspektroszkópiával járó tanulmányokhoz - és több okból is:
„A vörös törp csillagokat keringő átmeneti bolygók kedvezőbb célpontok, mint a Napszerű csillagokat keringő bolygók, mivel a bolygó és a csillag méretének aránya nagyobb. Az átviteli jel nagysága a bolygó és a csillag méretének hányadosának négyzete, tehát a jelek jelentős növekedése a Földnél kisebb csillagok felé halad.
„Egy másik ok, amelyet a vörös törpe csillagokat keringő bolygók kedvezőbb megfigyelésére szolgálnak, azért, mert a„ lakható zóna ”, vagy ahol a várakozás szerint folyékony víz lesz a bolygó felszínén, sokkal közelebb van a csillaghoz… Ezek miatt közelebbi pályákon, a vörös törpe csillagokat keringő lakható sziklás bolygók sokkal gyakrabban átszállnak csillagukba, ami lehetővé teszi a megfigyelők számára, hogy sok ismételt megfigyelést végezzenek.“
Ezt szem előtt tartva, Komacek és csapata két modellt alkalmaztak az M-típusú csillagok körül az árapályon elzárt bolygók szintetikus transzmisszióspektrumának előállítása céljából. Az első az ExoCAM, amelyet Dr. Eric Wolf dolgozott ki a Colorado Egyetem légköri és űrfizikai laboratóriumából (LASP), a Föld éghajlatának szimulálására szolgáló Közösségi Föld Rendszer Modellt (CESM), amelyet adaptáltak az exoplanet légkörének tanulmányozására.
Az ExoCAM modell segítségével a vörös törp csillagokat keringő sziklás bolygók éghajlatát szimulálták. Másodszor, a NASA Goddard űrrepülési központja által kifejlesztett bolygóspektrum-generátort alkalmazták annak átviteli spektrumának szimulálására, amelyet a JWST észlelne a szimulált bolygójukról. Ahogy Komacek elmagyarázta:
Ezek az ExoCAM szimulációk kiszámították a hőmérséklet, a vízgőz keverési arány, valamint a folyékony és a jeges víz felhő részecskék háromdimenziós eloszlását. Megállapítottuk, hogy a vörös törpe csillagokat keringő bolygók sokkal felhősebbek, mint a Föld. Ennek oka az, hogy egész napközük éghajlata hasonló a Föld trópusához, és így a vízgőzök alacsony nyomásig könnyen áradnak, ahol kondenzálódni tudnak és felhőket képezhetnek, amelyek a bolygó nappali részét lefedik.
„A PSG eredményeket adott a transzmisszió bolygó látszólagos méretére a hullámhossz függvényében, a bizonytalansággal együtt. Megvizsgálva, hogy a jel mérete hogyan változott a hullámhosszon, meg tudtuk határozni a vízgőz tulajdonságainak méretét, és összehasonlíthatjuk a bizonytalanság szintjével. ”
E két modell között a csapat képes volt szimulálni a bolygót felhőborítással és anélkül, és azt, amit a JWST képes felismerni ennek eredményeként. Az előbbi esetében úgy találták, hogy az exoplanet légkörében a vízgőz szinte biztosan kimutatható. Azt is felfedezték, hogy ezt meg lehet tenni a Föld méretű egzotikus bolygók esetében is, csupán tíz tranzit vagy annál kevesebb tranzit útján.
"Ha belefoglaljuk a felhők hatásait, a vízpára észleléséhez szükséges JWST tranzitszámának tíz-százszorosára növekedett" - mondta Komacek. "Természetes korlát van arra, hogy hány tranzitút figyeljen meg egy adott bolygón azért, mert a JWST egy meghatározott névleges küldetési élettartama 5 év, és az átviteli megfigyelést csak akkor lehet megtenni, ha a bolygó áthalad köztünk és a fogadó csillag között."
Azt is megállapították, hogy a felhőtakarás különösen erős volt a vörös törpék körül lassabban forgó bolygók esetén. Alapvetően azok a bolygók, amelyeknek kb. 12 napnál hosszabb keringési ideje van, több felhőképződést tapasztalnak a napi oldalukon. "Megállapítottuk, hogy egy olyan csillag körül keringő bolygókra, mint a TRAPPIST-1 (az ismert legkedvezőbb célpont), a JWST nem lenne képes megfigyelni a vízpára észlelésére szolgáló elemeket" - mondta Komacek.
Ezek az eredmények hasonlóak ahhoz, amit más kutatók megfigyeltek - tette hozzá. Tavaly egy, a NASA Goddard kutatói által vezetett tanulmány kimutatta, hogy a felhőborítás miként teheti észlelhetetlenné a vízgőzöket a TRAPPIST-1 bolygók légkörében. A hónap elején egy másik, a NASA Goddard által támogatott tanulmány kimutatta, hogy a felhők miként csökkentik a vízgőz amplitúdóját annyira, hogy a JWST háttérzajként kiküszöböli őket.
De mielőtt arra gondolnánk, hogy ez mind rossz hír, ez a tanulmány néhány javaslatot nyújt be ezen korlátok leküzdésére. Például, ha a misszió ideje tényező, a JWST misszió meghosszabbítható, így a tudósoknak több idejük lesz az adatok gyűjtésére. A NASA már reméli, hogy az űrtávcső tíz évig működik, tehát a misszió meghosszabbítása már lehetséges.
Ugyanakkor az alacsonyabb jel-zaj küszöbérték lehetővé teheti, hogy több jelet vegyen ki a spektrumból (bár ez több hamis pozitívot is jelentene). Ezen túlmenően Komacek és kollégái biztosan rámutattak, hogy ezek az eredmények csak azokra a funkciókra vonatkoznak, amelyek az exoplanetek felhőalapja alatt vannak:
„Mivel a vízgőzök általában a vízfelhő szintje alatt vannak csapdában, a vörös törp csillagokat keringő bolygók erős felhőfedettsége hihetetlenül nagy kihívást jelent a vízjellemzők észlelése szempontjából. Fontos szempont, hogy várható, hogy a JWST mindössze tucat tranzitútvonalon továbbra is képes korlátozni a légköri kulcsfontosságú alkotóelemek, például a szén-dioxid és a metán jelenlétét. ”
Ezen eredményeket ismét a korábbi kutatások támasztják alá. Tavaly egy washingtoni egyetemi tanulmány megvizsgálta a TRAPPIST-1 bolygók detektálhatóságát és tulajdonságait, és megállapította, hogy a felhők valószínűleg nem gyakorolnak jelentős hatást az oxigén és az ózon jellemzőinek kimutathatóságára - két kulcsfontosságú bioszignátum, amely a az élet jelenléte.
Tehát a JWST-nek valószínűleg csak nehézségekbe ütközik a vízgőz észlelése az exoplanet légkörében, legalábbis a sűrű felhőtakarás szempontjából. Más bio-aláírások esetén a JWST-nek nem szabad gondot okoznia a szikrázás, felhők vagy felhők nélkül. Nagyszerű dolgok várhatóan a Webb-től, a NASA eddigi legerősebb és legkifinomultabb űrteleszkópjáról. És minden jövőre indul!
