V roce 2021, observatoř NASA nové generace, James Webb Space Telescope (JWST), zabere prostor. Jakmile bude tato operační loď funkční, vyzvedne se tam, kde - podobně jako jiné kosmické dalekohledy Hubble, Kepler, a Spitzer - odešel. To znamená, že kromě zkoumání některých největších kosmických tajemství bude také hledat potenciálně obyvatelné exoplanety a pokoušet se charakterizovat jejich atmosféru.
To je část toho, co odlišuje JWST od jeho předchůdců. Mezi jeho vysokou citlivostí a infračervenými zobrazovacími schopnostmi bude schopen sbírat data o exoplanetovém prostředí jako nikdy předtím. Jak však nedávno ukázala studie podporovaná NASA, planety s hustou atmosférou mohou mít také rozsáhlé oblačnosti, což by mohlo komplikovat pokusy shromáždit některá nejdůležitější data ze všech.
Po celá léta astronomové používali Transit Photometry (aka. Transit Method) k detekci exoplanet sledováním vzdálených hvězd na poklesy jasu. Tato metoda se také ukázala jako užitečná při určování atmosférického složení některých planet. Když tato těla procházejí před jejich hvězdami, světlo prochází jejich atmosférou, jejíž spektra jsou poté analyzována, aby se zjistilo, jaké chemické prvky jsou tam.
Dosud byla tato metoda užitečná při pozorování masivních planet (plynových obrů a „super jupitérů“), které obíhají kolem jejich sluncí na velké vzdálenosti. Pozorování menších skalnatých planet (tj. „Podobných Zemi“), které obíhají blíže k jejich slunci - což by je dalo do obývatelné zóny hvězdy - však bylo nad možnosti vesmírných dalekohledů.
Z tohoto důvodu se astronomická komunita těší na den, kdy budou k dispozici dalekohledy nové generace, jako je JWST. Zkoumáním spektra světla procházejícího atmosférou skalnaté planety (metoda známá jako transmisní spektroskopie) budou vědci moci hledat prozrazující indikátory kyslíku, oxidu uhličitého, metanu a dalších známek souvisejících se životem (tzv. „Biosignatury“. “).
Dalším kritickým prvkem života (jak ho známe) je voda, takže podpisy vodní páry v atmosféře planety jsou hlavním cílem budoucích průzkumů. Ale v nové studii vedené Thaddeusem Komacekem, postdoktorandem s Katedrou geofyzikálních věd na University of Chicago, je možné, že každá planeta s hojnou povrchovou vodou bude mít také ve své atmosféře hojné mraky (částice kondenzujícího ledu). .
Kvůli této studii Komacek a jeho kolegové zkoumali, zda by tyto mraky zasahovaly do pokusů o detekci vodní páry v atmosféře suchozemských exoplanet. Vzhledem k počtu skalních exoplanet, které byly objeveny v obývatelných zónách hvězd typu M (červený trpaslík) v posledních letech - jako Proxima b - budou hlavní průzkumy budoucích sousedních červených trpaslíků.
Jak Komack vysvětlil časopisu Space Magazine e-mailem, přílivově uzamčené planety, že obíhající červené trpasličí hvězdy jsou vhodné pro studie zahrnující přenosovou spektroskopii - a z mnoha důvodů:
"Transiting planety obíhající červené trpasličí hvězdy jsou příznivější cíle než planety obíhající Slunce, protože poměr velikosti planety k velikosti hvězdy je větší. Velikost signálu v přenosovém měřítku se mění jako čtverec poměru velikosti planety k velikosti hvězdy, takže signál je významně posílen na menší hvězdy než na Zemi.
"Dalším důvodem, proč jsou planety obíhající červené trpasličí hvězdy příznivější k pozorování, je to, že" obyvatelná zóna ", nebo kde očekáváme, že na povrchu planety bude tekutá voda, je mnohem blíže ke hvězdě ... Kvůli těmto Blížící se oběžné dráhy, obyvatelné skalnaté planety obíhající kolem červených trpaslíků budou procházet jejich hvězdou mnohem častěji, což umožní pozorovatelům provádět mnoho opakovaných pozorování.“
S tímto vědomím použil Komacek a jeho tým společně dva modely, aby vytvořili syntetická přenosová spektra přílivově uzamčených planet kolem hvězd typu M. Prvním byl ExoCAM vyvinutý Dr. Ericem Wolfem z Laboratoře pro fyziku atmosféry a vesmíru (LASP) na Colorado University University (LASP), model komunitního systému Země (CESM) používaný k simulaci zemského klimatu, který byl upraven pro studium exoplanetových atmosfér.
Pomocí modelu ExoCAM simulovali klima skalnatých planet obíhajících po červené trpasličí hvězdy. Za druhé, použili generátor planetárního spektra vyvinutý Goddardovým vesmírným letovým střediskem NASA, aby simulovali přenosové spektrum, které JWST detekoval z jejich simulované planety. Jak Komacek vysvětlil:
„Tyto simulace ExoCAM počítaly trojrozměrné rozdělení teploty, poměr míchání vodní páry a částice oblačnosti kapalina a ledová voda. Zjistili jsme, že planety obíhající červené trpasličí hvězdy jsou mnohem zakalenější než Země. Je tomu tak proto, že celá jejich denní strana má klima podobné tropům Země, a tak se vodní pára snadno dostane do nízkých tlaků, kde může kondenzovat a vytvářet mraky, které pokrývají většinu dne planety…
"PSG poskytla výsledky pro zdánlivou velikost planety v přenosu jako funkci vlnové délky, spolu s nejistotou." Když jsme se podívali na to, jak se velikost signálu mění s vlnovou délkou, dokázali jsme určit velikost prvků vodní páry a porovnat je s úrovní nejistoty. “
Mezi těmito dvěma modely byl tým schopen simulovat planety s oblačností a bez oblačnosti a co by JWST v důsledku toho dokázal detekovat. V případě prvního z nich zjistili, že vodní páry v atmosféře exoplanety budou téměř jistě detekovatelné. Zjistili také, že by to mohlo být provedeno pro exoplanety velikosti Země jen za deset tranzitů nebo méně.
"Když jsme zahrnuli účinky mraků, počet tranzitů, které JWST potřeboval k detekci vodní páry, se zvýšil desetkrát až sto," uvedl Komacek. "Existuje přirozený limit, kolik tranzitů může JWST pozorovat pro danou planetu, protože JWST má stanovenou nominální životnost mise 5 let a pozorování přenosu lze provést pouze tehdy, když planeta prochází mezi námi a hostitelskou hvězdou."
Zjistili také, že dopad oblačnosti byl obzvláště silný u pomaleji se otáčejících planet kolem červených trpaslíků. V zásadě by planety, které mají orbitální periody déle než asi 12 dní, zažily na svých dnech více oblačnosti. "Zjistili jsme, že pro planety obíhající kolem hvězdy, jako je TRAPPIST-1 (nejpříznivější známý cíl), by JWST nebyl schopen pozorovat dostatek průchodů k detekci vodní páry," řekl Komacek.
Tyto výsledky jsou podobné těm, které si ostatní vědci všimli, dodal. V loňském roce studie vedená vědci z Goddardu NASA ukázala, jak by mraková pokrývka způsobila nezjistitelnost vodní páry v atmosféře planet TRAPPIST-1. Začátkem tohoto měsíce další studie podporovaná Goddardem NASA ukázala, jak mraky sníží amplitudu vodní páry do té míry, že by JWST je odstranil jako šum pozadí.
Než si ale pomyslíme, že je to všechno špatná zpráva, tato studie přináší některé návrhy, jak lze tato omezení překonat. Například, pokud je faktor mise faktorem, mise JWST může být prodloužena, takže vědci budou mít více času na shromažďování dat. NASA již doufá, že vesmírný dalekohled bude v provozu deset let, takže rozšíření mise je již možné.
Současně by snížený práh signálu k šumu pro detekci mohl umožnit, aby bylo ze spektra vybráno více signálů (i když by to znamenalo i více falešných pozitiv). Kromě toho si Komacek a jeho kolegové byli jisti, že poukazují na to, že tyto výsledky se vztahují pouze na funkce, které jsou na exoplanetách pod cloudovou palubou:
„Protože vodní pára je většinou zachycena pod hladinou vodního mraku, díky silnému pokrytí mraků na planetách obíhajících kolem červených trpaslíků je neuvěřitelně náročné detekovat vodní prvky. Důležité je, že se očekává, že JWST bude stále schopen omezit přítomnost klíčových atmosférických složek, jako je oxid uhličitý a metan, pouze za tucet tranzitů. “
Tyto výsledky jsou opět podporovány předchozím výzkumem. V loňském roce studie z University of Washington zkoumala detekovatelnost a vlastnosti planet TRAPPIST-1 a zjistila, že mraky pravděpodobně nebudou mít významný dopad na detekovatelnost kyslíkových a ozonových prvků - dvou klíčových biosignátů, které jsou spojeny s přítomnost života.
Takže JWST může mít problémy s detekcí vodní páry pouze v exoplanetové atmosféře, alespoň pokud jde o husté oblačnosti. U jiných biosignátů by JWST neměl mít problémy s jejich vyčicháváním, mraky ani mraky. Očekává se, že skvělé věci pocházejí z Webb, dosud nejvýkonnějšího a sofistikovaného kosmického dalekohledu NASA. A to vše začne příští rok!
