У 2021 році обсерваторія наступного покоління НАСА Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), займе космос. Після операції ця флагманська місія підбере там, де інші космічні телескопи Хаббл, Кеплер, і Шпіцер - залишився позаду. Це означає, що окрім дослідження деяких найбільш великих космічних таємниць, він також шукатиме потенційно мешканці екзопланет та намагатиметься охарактеризувати їх атмосферу.
Це частина того, що відрізняє JWST від своїх попередників. Між високою чутливістю та інфрачервоними можливостями візуалізації, він зможе збирати дані про атмосферу екзопланет, як ніколи. Однак, як показало нещодавно проведене дослідження NASA, планети з щільною атмосферою також можуть мати широкий хмарний покрив, що може ускладнити спроби зібрати деякі з найважливіших даних усіх.
Протягом багатьох років астрономи використовували транзитну фотометрію (ака. Метод транзиту) для виявлення екзопланет шляхом моніторингу віддалених зірок на занурення в яскравість. Цей метод також виявився корисним при визначенні атмосферного складу деяких планет. Коли ці тіла проходять перед їх зірками, світло проходить через їх атмосферу, спектри якої потім аналізуються, щоб побачити, які там хімічні елементи.
Поки що цей метод був корисним при спостереженні за величезними планетами (газовими гігантами та "Супер Юпітерами"), які обходять навколо своїх сонців на великих відстанях. Однак, спостерігаючи більш дрібні скелясті планети (тобто "подібні до Землі"), які орбітують ближче до своїх сонців - що ставить їх у зону проживання зорі - виходить за межі можливостей космічних телескопів.
З цієї причини астрономічне співтовариство з нетерпінням чекає дня, коли телескопи наступного покоління, як JWST, будуть доступні. Вивчаючи спектри світла, що проходить через атмосферу скелястої планети (метод, відомий як трансмісійна спектроскопія), вчені зможуть шукати контрольні показники кисневого газу, вуглекислого газу, метану та інших ознак, пов’язаних із життям (т.к. "біосигнатури" ”).
Ще одним важливим для життя елементом (як ми його знаємо) є вода, тому підписи водяної пари в атмосфері планети є головною ціллю для майбутніх досліджень. Але в новому дослідженні під керівництвом докторанта Теддея Комачека, докторанта кафедри геофізичних наук Чиказького університету, можливо, будь-яка планета з рясною поверхневою водою також матиме в її атмосфері рясні хмари (частинки конденсуючого льоду). .
Заради цього дослідження Комачек та його колеги дослідили, чи заважають ці хмари спробам виявити водяну пару в атмосферах наземних екзопланет. Завдяки кількості скельних екзопланет, які були виявлені в заселених зонах зірок типу М (червоний карлик) протягом останніх років - як, наприклад, Проксима b - сусідні червоні карлики, будуть основним напрямком майбутніх досліджень.
Як Комак пояснив Space Magazine по електронній пошті, планети, що мають фіксацію, що орбітують червоними зірками-карликами, добре підходять для досліджень, що проводять трансмісійну спектроскопію - і з ряду причин:
«Транзитні планети, що обертаються навколо навколо червоних карликових зірок, є більш сприятливими цілями, ніж ті, що обертаються навколо Сонця, як зорі, оскільки відношення розміру планети до розміру зірки більше. Розмір сигналу в масштабах передачі як квадрат відношення розміру планети до розміру зірки, тому є значне збільшення сигналу, що йде до менших зірок, ніж Земля.
"Інша причина, що планети, що обертаються навколо червоних зірок-карликів, є більш сприятливими для спостереження, це тому, що" житлова зона ", або там, де ми очікуємо, що на поверхні планети буде рідка вода, набагато ближче до зірки ... Через це ближчі орбіти, житлові скелясті планети, що обертаються навколо червоних карликових зірок, будуть набагато частіше транзитувати їх зірку, що дозволяє спостерігачам робити багато повторних спостережень.“
Зважаючи на це, Комачек та його команда спільно використовували дві моделі для генерування спектрів синтетичного пропускання планет, замкнених під відкритим небом навколо зірок типу М. Першим був ExoCAM, розроблений доктором Еріком Вольфом з Лабораторії фізики атмосфери та космічного університету (LASP) доктора Еріка Вольфа, модель земної системи Спільноти Землі (CESM), яка використовується для імітації клімату Землі, яка була адаптована для вивчення атмосфери екзопланет.
Використовуючи модель ExoCAM, вони імітували клімат скелястих планет на орбітах червоних карликових зірок. По-друге, вони використовували генератор планетарного спектра, розроблений НАСА Центром космічних польотів Годдарда, щоб імітувати спектр передачі, який JWST буде виявляти зі своєї імітованої планети. Як пояснив Комачек:
«Ці моделювання ExoCAM обчислили тривимірне розподіл температури, відношення змішування водяної пари та частинок хмари рідкої та крижаної води. Ми виявили, що планети, що обертаються навколо червоних карликових зірок, набагато кудистіші, ніж Земля. Це тому, що на їх цілому дні є клімат, схожий на тропіки Землі, і тому водяна пара легко піднімається до низького тиску, де вона може конденсуватися та утворювати хмари, що покривають більшу частину денної частини планети ...
«ПСЖ дав результати щодо очевидних розмірів планети при передачі як функції довжини хвилі, а також невизначеності. Переглядаючи, як змінювався розмір сигналу з довжиною хвилі, ми змогли визначити розмір особливостей водяної пари та порівняти їх із рівнем невизначеності. "
Між цими двома моделями команда змогла імітувати планети з і без хмарного покриву, і те, що JWST зможе виявити в результаті. У випадку з першими вони виявили, що водяна пара в атмосфері екзопланети майже напевно виявляється. Вони також виявили, що це можна зробити для екзопланет розміром із Землею лише за десять транзитів або менше.
"[W] hen ми включили вплив хмар, кількість транзитів JWST, необхідна для спостереження, щоб виявити водяну пару, збільшилася в десятки до сотні", - сказав Комачек. "Існує природна межа, скільки транзитів може спостерігати JWST для даної планети, оскільки JWST має встановлений номінальний термін служби місії 5 років, і спостереження за передачею можна здійснити лише тоді, коли планета проходить між нами та її зіркою-господарем".
Вони також виявили, що вплив хмарного покриву був особливо сильним при повільно обертаються планетах навколо червоних карликів. В основному планети, які мають орбітальний період довше, ніж приблизно 12 днів, відчують більше хмарних утворень на їх дні. "Ми виявили, що для планет, що обертаються навколо такої зірки, як TRAPPIST-1 (найбільш сприятлива ціль), JWST не зможе спостерігати достатню кількість транзитів для виявлення водяної пари", - сказав Комачек.
Ці результати схожі на те, що відзначили інші дослідники, додав він. Минулого року дослідження, проведене дослідниками NASA Goddard, показало, як хмарний покрив зробить водяну пару непомітною в атмосферах планет TRAPPIST-1. На початку цього місяця ще одне дослідження, підтримуване NASA Годдардом, показало, як хмари знизять амплітуду водяної пари до того, що JWST усуне їх як фоновий шум.
Але перш ніж ми подумаємо, що це все погані новини, це дослідження дає деякі пропозиції щодо того, як ці обмеження можна подолати. Наприклад, якщо час місії є фактором, місію JWST можна продовжити, щоб вчені мали більше часу для збору даних. Вже НАСА сподівається, що космічний телескоп буде функціонувати протягом десяти років, тому розширення місії - це вже можливість.
У той же час, понижений поріг сигнал-шум для виявлення може дозволяти вибирати більше спектрів із спектрів (хоча це також означатиме більше помилкових позитивних результатів). Крім того, Комачек та його колеги впевнені, що ці результати стосуються лише функцій, які знаходяться нижче хмарної колоди на екзопланетах:
"Оскільки водяна пара в основному знаходиться в пастці нижче рівня водної хмари, сильне хмарне покриття на планетах, що обертаються навколо червоних карликових зірок, робить надзвичайно складним виявлення особливостей води. Важливо, що очікується, що JWST все ще зможе обмежити наявність таких основних атмосферних складових, як вуглекислий газ та метан, лише за десяток транзитів ».
Вкотре ці результати підтверджуються попередніми дослідженнями. Минулого року дослідження Вашингтонського університету вивчало детектируемость та характеристики планет TRAPPIST-1 і виявило, що хмари, ймовірно, не матимуть істотного впливу на виявлення особливостей кисню та озону - дві ключові біосигнатури, які пов'язані з наявність життя.
Тож дійсно, JWST може мати лише труднощі з виявленням водяної пари в атмосфері екзопланети, принаймні, коли йдеться про щільний хмарний покрив. Що стосується інших біосигнатур, то JWST не повинен мати проблем з обнюхуванням їх, хмарами або без хмар. Очікується, що великі речі надійдуть від Вебба, найпотужнішого та найвишуканішого космічного телескопа NASA на сьогодні. І все розпочнеться наступного року!
