2021. godine, NASA-ova opservatorija sljedeće generacije, James Webb svemirski teleskop (JWST), odvest će se u svemir. Kad bude operativan, ova će glavna misija pokupiti mjesta na kojima se ističu drugi svemirski teleskopi Hubble, Kepler, i Spitzer - stalo. To znači da će, osim istraživanja nekih od najvećih kozmičkih misterija, tražiti i potencijalno useljive egzoplanete i pokušati karakterizirati njihovu atmosferu.
Ovo je dio onoga što JWST razlikuje od njegovih prethodnika. Između svojih visokih osjetljivosti i infracrvenih slika, ona će moći prikupiti podatke o atmosferi egzoplaneta kao nikada do sad. Međutim, kako je nedavno pokazala NASA-ina studija, planete s gustom atmosferom mogu također imati obiman oblačni pokrov, što bi moglo komplicirati pokušaje prikupljanja nekih od najvažnijih podataka od svih.
Godinama su astronomi koristili Tranzitnu fotometriju (aka. Tranzitna metoda) za otkrivanje egzoplaneta promatrajući udaljene zvijezde zbog padova u svjetlini. Ova se metoda pokazala i korisnom u određivanju sastava atmosfere nekih planeta. Dok ta tijela prolaze ispred njihovih zvijezda, svjetlost prolazi kroz njihovu atmosferu, čiji se spektri analiziraju kako bi se vidjelo koji su tamo kemijski elementi.
Do sada je ova metoda bila korisna kada se promatraju ogromni planeti (plinski divovi i "Super Jupiteri") koji orbitiraju na njihovim suncima na velikim udaljenostima. Međutim, promatranje manjih, kamenitih planeta (tj. "Nalik Zemlji") koji orbitiraju bliže njihovim suncima - što bi ih stavilo u zvjezdanu naseljenu zonu - bilo je izvan mogućnosti svemirskih teleskopa.
Iz tog razloga, astronomska zajednica raduje se danu kada će biti dostupni teleskopi nove generacije poput JWST-a. Ispitivanjem spektra svjetlosti koji prolaze kroz atmosferu stjenovitog planeta (metoda poznata kao transmisijska spektroskopija) znanstvenici će moći potražiti indikatore krutih zraka kisika, ugljičnog dioksida, metana i drugih znakova povezanih sa životom (aka „biosignature“ „).
Još jedan kritični element života (kao što ga znamo) je voda, pa su potpisi vodene pare u atmosferi planeta glavni cilj za buduća istraživanja. No, u novoj studiji koju je vodio Thaddeus Komacek, postdoktorski suradnik s Odjela za geofizičke znanosti na Sveučilištu u Chicagu, moguće je da će bilo koji planet s obilnom površinskom vodom također imati obilne oblake (čestice kondenziranog leda) u svojoj atmosferi ,
Za potrebe ove studije Komaček i njegovi kolege ispitali su hoće li ovi oblaci ometati pokušaje otkrivanja vodene pare u atmosferi zemaljskih egzoplaneta. Zbog broja stjenovitih egzoplaneta koji su otkriveni unutar naseljenih zona zvijezda M tipa (crveni patuljak) posljednjih godina - poput Proxime b - susjedni crveni patuljci bit će glavni fokus budućih istraživanja.
Kao što je Komack objasnio Space Magazinu putem e-pošte, planeti koji su dobro zatvoreni i orbitiraju crvene patuljaste zvijezde dobro su prilagođeni za studije koje uključuju prijenosnu spektroskopiju - i to iz nekoliko razloga:
„Tranzitni planeti koji okružuju zvijezde crvenih patuljaka povoljniji su ciljevi od onih koje okružuju zvijezde nalik Suncu, jer je odnos veličine planeta i veličine zvijezde veći. Veličina signala u prijenosnoj ljestvici je kvadrat omjera veličine planeta prema veličini zvijezde, tako da je značajno pojačan signal koji ide prema manjim zvijezdama od Zemlje.
"Još jedan razlog zbog kojeg su planete u orbiti oko zvijezda crvenih patuljaka povoljnije promatrati je taj što je" naseljena zona ", ili tamo gdje očekujemo da će na površini planeta biti tekuća voda, mnogo bliže zvijezdi ... Zbog toga bliže orbite, useljivi stjenoviti planeti koji orbitiraju kroz zvijezde crvenih patuljaka mnogo će češće prolaziti kroz njihovu zvijezdu, što omogućava promatračima mnogo ponovljenih opažanja.“
Imajući to u vidu, Komacek i njegov tim koristili su dva modela zajedno kako bi generirali sintetički spektar prijenosa planeta usko zaključanih oko zvijezda tipa M. Prvi je ExoCAM razvio Laboratorij za fiziku atmosfere i svemira Sveučilišta u Koloradu (LASP), model zemaljskog sustava Zajednice (CESM) koji se koristi za simulaciju klimatske Zemlje, a koji je prilagođen za proučavanje atmosfere egzoplaneta.
Pomoću modela ExoCAM, simulirali su klimu kamenitih planeta u orbiti oko zvijezda crvenih patuljaka. Drugo, zaposlili su generator planetarnog spektra koji je razvio NASA-in Goddard Space Space Let da bi simulirali prijenosni spektar koji bi JWST detektirao sa njihovog simuliranog planeta. Kao što je Komaček objasnio:
„Ove simulacije ExoCAM izračunale su trodimenzionalnu raspodjelu temperature, omjera miješanja vodene pare i čestica oblaka tekuće i ledene vode. Otkrili smo da su planete u orbiti oko zvijezda crvenih patuljaka mnogo bliže Zemlji. To je zato što cijela njihova dnevna klima ima klimu sličnu tropima Zemlje, pa se vodena para lako spušta na niske pritiske gdje se može kondenzirati i formirati oblake koji prekrivaju veći dio dana planete ...
„PSG je dao rezultate za prividnu veličinu planeta u prijenosu kao funkciju valne duljine, zajedno s nesigurnošću. Promatrajući kako se veličina signala mijenja s valnom duljinom, uspjeli smo odrediti veličinu vodene pare i usporediti ih s razinom nesigurnosti. "
Između ova dva modela, tim je mogao simulirati planete sa i bez oblačnog pokrivača, a što bi JWST mogao otkriti kao rezultat. U slučaju one prve, otkrili su da će se gotovo sigurno otkriti vodena para u atmosferi egzoplaneta. Također su otkrili da se to može učiniti za egzoplanete veličine Zemlje u samo deset tranzita ili manje.
"[W] hen smo uključili učinke oblaka, broj tranzita JWST potreban za promatranje kako bi se otkrila vodena para povećao se za deset puta do stotke", rekao je Komacek. "Postoji prirodno ograničenje koliko tranzita JWST može promatrati za određeni planet jer JWST ima postavljeni nominalni životni vijek od 5 godina, a promatranje prijenosa može se obaviti samo kad planet prođe između nas i njegove domaćine zvijezde."
Također su otkrili da je utjecaj oblačnog pokrivača bio posebno jak kod sporije rotirajućih planeta oko crvenih patuljaka. U osnovi, planete s orbitalnim razdobljima dužim od oko 12 dana doživjele bi više stvaranja oblaka na svojim dnevnim stranama. "Otkrili smo da za planete koji orbitiraju oko zvijezde poput TRAPPIST-1 (najpovoljniji poznati cilj), JWST neće moći promatrati dovoljno tranzita da otkriva vodenu paru", rekao je Komacek.
Ti su rezultati slični onome što su primijetili drugi istraživači, dodao je. Prošle godine, istraživanje koje su predvodili istraživači iz NASA Goddard pokazalo je kako će oblačni pokrov učiniti vodenu paru neprimetnom u atmosferi planeta TRAPPIST-1. Ranije ovog mjeseca, još jedna studija koju je podržala NASA Goddard pokazala je kako će oblaci smanjiti amplitudu vodene pare do točke da bi ih JWST eliminirao kao buku u pozadini.
Ali prije nego što razmislimo o tome da su sve loše vijesti, ova studija daje neke prijedloge kako se ta ograničenja mogu prevladati. Na primjer, ako je vrijeme misije faktor, misija JWST može se produžiti kako bi znanstvenici imali više vremena za prikupljanje podataka. NASA se već nada da će svemirski teleskop raditi deset godina, tako da je proširenje misije već mogućnost.
U isto vrijeme, spušteni prag signal-šum za otkrivanje mogao bi omogućiti da se iz spektra odabere više signala (mada bi to značilo i više lažnih pozitivnih rezultata). Osim toga, Komaček i njegovi kolege bili su sigurni istaknuti da se ovi rezultati primjenjuju samo na značajke koje se nalaze ispod oblaka palube na egzoplanetima:
"Budući da je vodena para uglavnom zarobljena ispod razine vodenog oblaka, snažna oblačnost oblaka na planetima u orbiti oko zvijezda crvenih patuljaka čini nevjerojatno izazov za otkrivanje značajki vode. Ono što je važno, očekuje se da će JWST i dalje biti u mogućnosti ograničiti prisutnost ključnih atmosferskih sastojaka poput ugljičnog dioksida i metana u samo desetak tranzita ili slično. "
Ove rezultate još jednom podupiru prethodna istraživanja. Prošle godine, istraživanje sa Sveučilišta u Washingtonu ispitalo je otkrivanje i karakteristike planeta TRAPPIST-1 i otkrilo je da oblaci vjerojatno neće imati značajan utjecaj na otkrivanje kisikovih i ozonskih značajki - dvije ključne biosignate povezane s prisutnost života.
Dakle, JWST će možda samo imati poteškoće u otkrivanju vodene pare u atmosferi egzoplaneta, barem kad je u pitanju gusti oblačni pokrivač. Za ostale biosignature, JWST ne bi trebao imati problema s njuškanjem, oblacima ili bez oblaka. Očekuju se velike stvari od Webba, NASA-ovog najmoćnijeg i najsofisticiranijeg svemirskog teleskopa do danas. A sve će početi iduće godine!
