Vuonna 2021 NASA: n seuraavan sukupolven observatorio James Webbin avaruuskaukoputki (JWST), vie avaruuteen. Käynnistyksen jälkeen tämä lippulaivaoperaatio nousee muihin avaruusteleskoopeihin - kuten Hubble, Keplerja Spitzer - jätetty pois. Tämä tarkoittaa, että tutkittaessa joitain suurimmista kosmisista mysteereistä, se etsii myös potentiaalisesti asuttavia eksoplaneetteja ja yrittää karakterisoida niiden ilmakehää.
Tämä on osa sitä, mikä erottaa JWST: n edeltäjistään. Korkean herkkyyden ja infrapunakuvausominaisuuksien välillä se pystyy keräämään tietoja eksoplaneetan ilmakehään kuin koskaan ennen. Kuten NASA: n tukema tutkimus äskettäin osoitti, tiheällä ilmakehällä olevilla planeetoilla voi kuitenkin olla myös laaja pilvisuojus, mikä voi vaikeuttaa yrityksiä kerätä joitain kaikkien tärkeimmistä tiedoista.
Tähtitieteilijät ovat jo vuosien ajan käyttäneet Transit Photometry -laitetta (alias. Transit Method) eksoplaneettojen havaitsemiseksi tarkkailemalla etäällä olevia tähtiä putouksen vaaleuden suhteen. Tämä menetelmä on osoittautunut hyödylliseksi myös joidenkin planeettojen ilmakehän koostumuksen määrittämisessä. Kun nämä elimet kulkevat tähtiensä edessä, valo kulkee ilmakehänsä läpi, jonka spektrit analysoidaan sitten nähdäksesi mitä kemiallisia elementtejä siellä on.
Toistaiseksi tämä menetelmä on ollut hyödyllinen tarkkailemalla massiivisia planeettoja (kaasujättiläisiä ja ”Super Jupitereita”), jotka kiertävät aurinkoaan suurilla etäisyyksillä. Pienempien, kallioisten planeettojen (ts. "Maapallon") havaitseminen, jotka kiertävät lähemmäksi aurinkoaan - mikä sijoittaisi heidät tähden asumisalueelle - on kuitenkin ylittänyt avaruusteleskooppien mahdollisuudet.
Tästä syystä tähtitieteellinen yhteisö on odottanut sitä päivää, jolloin seuraavan sukupolven teleskoopit, kuten JWST, olisivat saatavilla. Tutkimalla kivisen planeetan ilmakehän läpi kulkevia valosuhteita (menetelmä, joka tunnetaan siirtospektroskopiana) tutkijat pystyvät etsimään happikaasun, hiilidioksidin, metaanin ja muiden elämään liittyvien merkkien ilmaisimia (alias. "Biosignatures") ”).
Toinen kriittinen elementti elämässä (kuten tiedämme sen) on vesi, joten planeetan ilmakehän vesihöyryn allekirjoitukset ovat tärkein kohde tulevissa tutkimuksissa. Mutta uudessa tutkimuksessa, jota johtaa Chicagon yliopiston geofysikaalisten tieteiden laitoksen tutkijatohtorin tutkijatohtori Thaddeus Komacek, on mahdollista, että millä tahansa planeetalla, jolla on runsaasti pintavettä, on myös ilmakehässä runsaasti pilviä (tiivistyvän jään hiukkasia) ilmakehässä. .
Tämän tutkimuksen vuoksi Komacek ja hänen kollegansa tutkivat, häiritsivätkö nämä pilvet yrityksiä havaita vesihöyryä maapallon eksoplaneettojen ilmakehässä. M-tyyppisten (punaisten kääpiö) tähtien asuttamisvyöhykkeiltä viime vuosina löydettyjen kivisten eksoplaneettojen lukumäärän vuoksi - kuten Proxima b - vierekkäiset punaiset kääpiöt ovat tulevaisuuden tutkimusten tärkein painopiste.
Kuten Komack selitti Space Magazine: lle sähköpostitse, vuorovesilukitut planeetat, jotka kiertävät punaisia kääpiötähteitä, soveltuvat hyvin tutkimuksiin, joihin sisältyy siirtospektroskopia - ja monista syistä:
”Punaisten kääpiötähteiden kiertävät kauttakulkevat planeetat ovat edullisempia kohteita kuin ne, jotka kiertävät Auringon kaltaisia tähtiä, koska planeetan koon suhde tähden kokoon on suurempi. Signaalin koko lähetysasteikossa on neliö, joka vastaa planeetan koon ja tähden kokoa, joten signaali menee merkittävästi pienempiin tähtiin kuin Maa.
”Toinen syy siihen, että punaisia kääpiötähteitä kiertäviä planeettoja on suotuisampaa tarkkailla, on se, että” asuttava alue ”tai missä odotamme, että planeetan pinnalla on nestemäistä vettä, on paljon lähempänä tähtiä ... Näiden takia lähemmäs kiertoratoja, punaiset kääpiötähtiä kiertävät asuttavat kiviset planeetat kulkevat tähtensä paljon useammin, mikä antaa tarkkailijoiden tehdä monia toistuvia havaintoja.“
Tätä silmällä pitäen Komacek ja hänen tiiminsä käyttivät kahta mallia yhdessä vuoroveden lukittujen planeettojen synteettisten siirtospektrien luomiseksi M-tyypin tähtijen ympärille. Ensimmäinen oli Coloradon yliopiston ilmakehän ja avaruusfysiikan laboratoriosta (LASP) kehitetyn tohtori Eric Wolfin kehittämä ExoCAM, joka on maapallon ilmaston simulointiin käytettävä yhteisön maapallomallijärjestelmä (CESM), joka on mukautettu tutkimaan eksoplaneetan ilmakehää.
ExoCAM-mallia käyttämällä he simuloivat punaisten kääpiötähteiden kiertävien kallioisten planeettojen ilmastoa. Toiseksi he käyttivät NASA: n Goddardin avaruuslentokeskuksen kehittämää planeettaspektrigeneraattoria simuloimaan siirtospektriä, jonka JWST havaitsisi heidän simuloidulta planeetalta. Kuten Komacek selitti sen:
Nämä ExoCAM-simulaatiot laskivat lämpötilan, vesihöyryn sekoitussuhteen sekä neste- ja jääveden pilvihiukkasten kolmiulotteiset jakaumat. Havaitsimme, että punaisten kääpiötähteiden kiertävät planeetat ovat paljon pilvempiä kuin Maa. Tämä johtuu siitä, että koko heidän päivänpäivänsä ilmasto on samanlainen kuin maapallon tropiikilla, joten vesihöyry nousee helposti matalaan paineeseen, jolloin se voi tiivistyä ja muodostaa pilviä, jotka peittävät suuren osan planeetan päivänpuolelta ...
”PSG antoi tulokset siirrettävän planeetan näennäisestä koosta aallonpituuden funktiona yhdessä epävarmuuden kanssa. Tarkastelemalla kuinka signaalin koko muuttui aallonpituuden kanssa, pystyimme määrittämään vesihöyryn ominaisuuksien koon ja vertaamaan niitä epävarmuustasoon. "
Näiden kahden mallin välillä joukkue pystyi simuloimaan planeettoja pilvikaton kanssa ja ilman, ja mitä JWST kykenee havaitsemaan seurauksena. Entisen tapauksessa he havaitsivat, että vesihöyry eksoplaneetan ilmakehässä olisi melkein varmasti havaittavissa. He huomasivat myös, että tämä voitaisiin tehdä maapallon kokoisille eksoplaneetoille vain kymmenessä kauttakulussa tai vähemmän.
"Kun otimme mukaan pilvien vaikutukset, kauttakulkujen määrä, jota JWST on tarkkailtava vesihöyryn havaitsemiseksi, kasvoi kertoimella kymmenestä sataan", Komacek sanoi. "On olemassa luonnollinen raja, kuinka monta kauttakulkua JWST voi tarkkailla tietyllä planeetalla, koska JWST: llä on asetettu nimellinen virka-aika 5 vuotta ja lähetyksen tarkkailu voidaan suorittaa vain, kun planeetta kulkee meidän ja isäntätähden välillä."
He havaitsivat myös, että pilvipeitteen vaikutus oli erityisen voimakas hitaammin pyörivillä planeetoilla punaisten kääpiöiden ympärillä. Periaatteessa planeetoilla, joiden kiertorata-ajat ovat yli 12 päivää pidempiä, koettaisiin pilvien muodostumista enemmän päivin. "Havaitsimme, että sellaisesta tähdestä kiertäville planeetoille, jotka ovat TRAPPIST-1 (suosituin tunnettu kohde), JWST ei pystyisi tarkkailemaan tarpeeksi kauttakulkuja vesihöyryn havaitsemiseksi", Komacek sanoi.
Nämä tulokset ovat samanlaisia kuin muut tutkijat ovat todenneet, hän lisäsi. Viime vuonna NASA Goddardin tutkijoiden johtama tutkimus osoitti, kuinka pilvipeite tekisi vesihöyrystä havaitsemattomia TRAPPIST-1-planeettojen ilmakehissä. Aiemmin tässä kuussa toinen NASA Goddardin tukema tutkimus osoitti, kuinka pilvet alentavat vesihöyryn amplitudia siihen pisteeseen, että JWST eliminoi ne taustameluksi.
Mutta ennen kuin ajattelemme, että se on kaikki huonoja uutisia, tässä tutkimuksessa esitetään ehdotuksia näiden rajoitusten voittamiseksi. Jos operaation aika on esimerkiksi tekijä, JWST-operaatiota voidaan pidentää, jotta tutkijoilla on enemmän aikaa tiedon keräämiseen. NASA toivoo jo avaruusteleskoopin olevan toiminnassa kymmenen vuoden ajan, joten operaation jatkaminen on jo mahdollista.
Samaan aikaan matalampi havaitsemisen signaali-kohina-kynnysarvo voisi mahdollistaa, että spektristä poimitaan enemmän signaaleja (tosin se tarkoittaisi myös enemmän vääriä positiivisia). Lisäksi Komacek ja hänen kollegansa huomauttivat varmasti, että nämä tulokset koskevat vain ominaisuuksia, jotka ovat pilvikerroksen alla eksoplaneetoilla:
”Koska vesihöyry on juuttunut suurimmaksi osaksi vesipilvotason alapuolelle, punaisten kääpiötähteiden ympäri kiertävien planeettojen vahva pilvipeitto tekee veden ominaisuuksien havaitsemisesta uskomattoman haastavan. Tärkeää on, että JWST: n odotetaan kykenevän edelleen rajoittamaan tärkeimpien ilmakehän ainesosien, kuten hiilidioksidin ja metaanin, läsnäoloa vain tusinan sisällä. "
Jälleen kerran nämä tulokset tukevat aiempaa tutkimusta. Viime vuonna Washingtonin yliopiston tutkimuksessa tutkittiin TRAPPIST-1-planeettojen havaittavuutta ja ominaisuuksia ja todettiin, että pilvilla ei todennäköisesti ole merkittävää vaikutusta hapen ja otsonin piirteiden havaitsemiseen - kaksi keskeistä biosignaalia, jotka liittyvät elämän läsnäolo.
Joten JWST: llä voi olla vain vaikeuksia havaita vesihöyryä eksoplanetaattien ilmakehissä, ainakin tiheän pilvisuuden suhteen. Muiden biosignaattien tapauksessa JWST: llä ei pitäisi olla vaikeuksia nuuskaamalla niitä, pilviä tai ei pilviä. NASA: n tähän mennessä tehokkaimmasta ja hienostuneimmasta avaruusteleskoopista odotetaan tulevan suuria asioita. Ja kaikki alkaa ensi vuonna!
