2021. gadā NASA nākamās paaudzes observatorija Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST), veiks kosmosu. Pēc darbības uzsākšanas šī vadošā misija tiks uzņemta tur, kur citi kosmosa teleskopi, piemēram Habls, Keplers, un Spicers - pārtrauca. Tas nozīmē, ka papildus dažu lielāko kosmisko noslēpumu izpētei, tā meklēs arī potenciāli apdzīvojamas eksoplanetes un mēģinās raksturot to atmosfēru.
Tā ir daļa no tā, kas JWST atšķir no tā priekšgājējiem. Starp augsto jutīgumu un infrasarkano staru attēlveidošanas iespējām tas, kā vēl nekad, spēs apkopot datus par eksoplanetu atmosfērām. Tomēr, kā nesen parādīja NASA atbalstīts pētījums, planētām ar blīvu atmosfēru varētu būt arī plaša mākoņu sega, kas varētu sarežģīt mēģinājumus apkopot dažus no vissvarīgākajiem datiem.
Gadiem ilgi astronomi ir izmantojuši tranzīta fotometriju (pazīstams arī kā tranzīta metode) eksoplanētu noteikšanai, novērojot attālās zvaigznes, lai redzētu, vai spilgtums nav kritis. Šī metode ir izrādījusies noderīga arī dažu planētu atmosfēras sastāva noteikšanai. Šiem ķermeņiem ejot priekšā savām zvaigznēm, gaisma iet cauri viņu atmosfērai, kuras spektri tiek analizēti, lai redzētu, kādi ķīmiskie elementi tur atrodas.
Līdz šim šī metode ir bijusi noderīga, novērojot masīvas planētas (gāzes giganti un “Super Jupiters”), kas riņķo ap viņu sauli lielos attālumos. Tomēr, novērojot mazākas, akmeņainas planētas (t.i., “Zemei līdzīgas”), kas riņķo tuvāk viņu saulei - kas viņus nostādītu zvaigznes apdzīvojamā zonā -, ir pārsniegts kosmosa teleskopu iespējas.
Šī iemesla dēļ astronomiskā sabiedrība ar nepacietību gaida dienu, kad būs pieejami nākamās paaudzes teleskopi, piemēram, JWST. Pārbaudot gaismas spektru, kas iet cauri akmeņainas planētas atmosfērai (metode, kas pazīstama kā pārraides spektroskopija), zinātnieki varēs meklēt skābekļa gāzes, oglekļa dioksīda, metāna un citu ar dzīvību saistītu pazīmju indikatorus (sauktus arī par “bioparakstiem”). ”).
Vēl viens kritisks dzīves elements (kā mēs to zinām) ir ūdens, tāpēc nākotnes apsekojumu galvenais mērķis ir ūdens tvaiku signāli planētas atmosfērā. Bet jaunā pētījumā, kuru vadīja Čikāgas universitātes Ģeofizisko zinātņu departamenta pēcdoktorantūras biedrs Thaddeus Komacek, ir iespējams, ka jebkuras planētas ar bagātīgu virszemes ūdeni atmosfērā būs arī bagātīgi mākoņi (kondensējoša ledus daļiņas). .
Šī pētījuma nolūkos Komaceks un viņa kolēģi pārbaudīja, vai šie mākoņi netraucēs mēģinājumiem atklāt ūdens tvaikus sauszemes eksoplanetu atmosfērā. Tā kā ir daudz akmeņainu eksoplanētu, kas pēdējos gados ir atklāti M tipa (sarkanā pundura) zvaigžņu apdzīvojamās zonās, piemēram, Proxima b, nākamajos apsekojumos galvenā uzmanība tiks pievērsta kaimiņu sarkanajiem punduriem.
Kā Komack paskaidroja kosmosa žurnālam pa e-pastu, plūdmaiņu aizslēgtās planētas, kas riņķo pa sarkano punduru zvaigznēm, ir labi piemērotas pētījumiem, kas saistīti ar transmisijas spektroskopiju, un vairāku iemeslu dēļ:
“Tranzīta planētas, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm, ir labvēlīgāki mērķi nekā tās, kas riņķo ap Saulei līdzīgām zvaigznēm, jo planētas un zvaigznes lieluma attiecība ir lielāka. Signāla lielums pārraides mērogā ir kvadrāts no planētas lieluma un zvaigznes lieluma attiecības, tāpēc signāls ievērojami palielinās, dodoties uz mazākām zvaigznēm nekā Zeme.
“Vēl viens iemesls, kāpēc planētas, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm, ir labvēlīgākas novērot, ir tas, ka“ apdzīvojamā zona ”vai tur, kur mēs sagaidām, ka uz planētas virsmas ir šķidrs ūdens, ir daudz tuvāk zvaigznei ... To dēļ tuvāk orbītām, apdzīvojamās klinšainās planētas, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm, daudz biežāk šķērsos to zvaigzni, kas novērotājiem ļauj veikt daudzus atkārtotus novērojumus.“
Paturot to prātā, Komaceks un viņa komanda izmantoja divus modeļus vienlaikus, lai ģenerētu svārstību bīdāmo planētu sintētiskos caurlaidības spektrus ap M veida zvaigznēm. Pirmais bija ExoCAM, ko izstrādāja Dr. Ēriks Volfs no Kolorado universitātes Atmosfēras un kosmosa fizikas laboratorijas (LASP), Zemes klimata simulēšanai izmantoto Kopienas Zemes sistēmas modeli (CESM), kas ir pielāgots eksoplanētu atmosfēras izpētei.
Izmantojot ExoCAM modeli, viņi simulēja klinšaino planētu klimatu, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm. Otrkārt, viņi izmantoja NASA Goddard kosmisko lidojumu centra izstrādāto Planetārā spektra ģeneratoru, lai modelētu pārraides spektru, ko JWST varētu atklāt no viņu simulētās planētas. Kā Komacek to paskaidroja:
“Šīs ExoCAM simulācijas aprēķināja temperatūras, ūdens tvaiku sajaukšanās attiecības, kā arī šķidruma un ledus ūdens mākoņa daļiņu trīsdimensiju sadalījumu. Mēs noskaidrojām, ka planētas, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm, ir daudz mākoņainas nekā Zeme. Tas notiek tāpēc, ka visu diennakts laiku klimats ir līdzīgs Zemes tropiem, un tāpēc ūdens tvaiki viegli nokļūst zemā spiedienā, kur tie var kondensēties un veidot mākoņus, kas pārklāj lielu daļu planētas diennakts malas.
“PSG sniedza rezultātus par redzamo planētas izmēru transmisijā kā viļņa garuma funkciju, kā arī ar nenoteiktību. Skatot, kā signāla lielums mainījās līdz ar viļņa garumu, mēs varējām noteikt ūdens tvaiku īpašību lielumu un salīdzināt tos ar nenoteiktības līmeni. ”
Starp šiem diviem modeļiem komanda spēja simulēt planētas ar mākoņu pārklājumu un bez tā, kā arī to, ko JWST spēs atklāt. Pirmā gadījumā viņi atklāja, ka ūdens tvaiki eksoplanētas atmosfērā gandrīz noteikti būs nosakāmi. Viņi arī atklāja, ka to var izdarīt zemes lieluma eksoplanetām tikai ar desmit tranzītu vai mazāk.
"Ja mēs iekļāvām mākoņu iedarbību, tranzītu skaits, kas JWST bija nepieciešams novērot, lai noteiktu ūdens tvaikus, pieauga par desmit līdz simts," sacīja Komacek. "Pastāv dabisks ierobežojums, cik daudz tranzītu JWST var novērot uz konkrētās planētas, jo JWST nominālais misijas kalpošanas laiks ir 5 gadi, un transmisijas novērošanu var veikt tikai tad, kad planēta šķērso starp mums un tās vieszvaigzni."
Viņi arī atklāja, ka mākoņu segas ietekme bija īpaši spēcīga ar lēnāk rotējošām planētām ap sarkanajiem punduriem. Būtībā planētām, kuru orbitālais periods ir ilgāks par apmēram 12 dienām, savās dienās vairāk mākoņu veidosies. "Mēs noskaidrojām, ka planētām, kuras riņķo ap zvaigzni, piemēram, TRAPPIST-1 (visizdevīgākais zināmais mērķis), JWST nespēs novērot pietiekami daudz tranzīta, lai noteiktu ūdens tvaikus," sacīja Komaceks.
Šie rezultāti ir līdzīgi tam, ko citi pētnieki ir atzīmējuši, viņš piebilda. Pagājušajā gadā pētījums, kuru vadīja NASA Goddard pētnieki, parādīja, kā mākoņu sega padarīs ūdens tvaikus nenosakāmus TRAPPIST-1 planētu atmosfērā. Šā mēneša sākumā cits NASA Goddard atbalstītais pētījums parādīja, kā mākoņi pazeminās ūdens tvaiku amplitūdu līdz vietai, ka JWST tos novērš kā fona troksni.
Pirms mēs domājam, ka tās ir visas sliktās ziņas, šajā pētījumā ir sniegti daži ieteikumi, kā šos ierobežojumus pārvarēt. Piemēram, ja faktors ir misijas laiks, JWST misiju var pagarināt, lai zinātniekiem būtu vairāk laika datu vākšanai. Jau NASA cer, ka kosmosa teleskops darbosies desmit gadus, tāpēc misijas paplašināšana jau ir iespēja.
Tajā pašā laikā pazemināts signāla un trokšņa noteikšanas slieksnis varētu ļaut no spektra izvilkt vairāk signālu (lai gan tas arī nozīmētu vairāk viltus pozitīvu). Turklāt Komaceks un viņa kolēģi pārliecinoši norādīja, ka šie rezultāti attiecas tikai uz tām funkcijām, kas atrodas zem mākoņu klāja eksoplanetajās:
Tā kā ūdens tvaiki lielākoties ir ieslodzīti zem ūdens mākoņu līmeņa, spēcīgais mākoņu pārklājums uz planētām, kas riņķo ap sarkanām punduru zvaigznēm, padara neticami izaicinošu ūdens īpašību noteikšanu. Svarīgi, ka ir sagaidāms, ka JWST joprojām spēs ierobežot tādu atmosfēras galveno sastāvdaļu kā oglekļa dioksīds un metāns klātbūtni tikai aptuveni divpadsmit tranzītu laikā. ”
Atkal šos rezultātus apstiprina iepriekšējie pētījumi. Pagājušajā gadā Vašingtonas universitātes pētījumā tika pārbaudīta TRAPPIST-1 planētu detektējamība un raksturlielumi un atklāts, ka mākoņi, visticamāk, būtiski neietekmēs skābekļa un ozona pazīmju noteikšanu - divi galvenie biosaraksti, kas saistīti ar dzīves klātbūtne.
Tātad tiešām JWST varētu būt grūtības noteikt ūdens tvaikus eksoplanetu atmosfērā, vismaz attiecībā uz blīvu mākoņu segumu. Citiem bioparakstiem JWST nevajadzētu būt grūtībām tos izšņaukt, mākoņus vai bez mākoņiem. Paredzams, ka lielas lietas notiks no Veba, līdz šim NASA visspēcīgākā un vismodernākā kosmosa teleskopa. Un tas viss sāksies nākamgad!
