I 2021 ble NASAs neste generasjons observatorium, the James Webb romteleskop (JWST), vil ta seg til verdensrommet. Når det er operativt, vil dette flaggskipet ta seg opp der andre romteleskoper - som Hubble, Kepler, og Spitzer - slapp. Dette betyr at den i tillegg til å undersøke noen av de største kosmiske mysteriene, også vil søke etter potensielle beboelige eksoplaneter og forsøke å prege deres atmosfærer.
Dette er en del av det som skiller JWST fra forgjengerne. Mellom sin høye følsomhet og infrarøde bildebehandlingsevner vil den kunne samle data om eksoplanettatmosfærer som aldri før. Imidlertid, som en NASA-støttet studie nylig viste, kan planeter som har tette atmosfærer også ha omfattende skydekke, noe som kan komplisere forsøk på å samle noen av de viktigste dataene av alle.
I årevis har astronomer brukt Transit Photometry (også kjent som Transit Method) for å oppdage eksoplaneter ved å overvåke fjerne stjerner for fall i lysstyrken. Denne metoden har også vist seg nyttig å bestemme den atmosfæriske sammensetningen av noen planeter. Når disse kroppene passerer foran stjernene deres, passerer lys gjennom atmosfæren, hvis spektre blir analysert for å se hvilke kjemiske elementer som er der.
Så langt har denne metoden vært nyttig når man observerer massive planeter (gassgiganter og “Super Jupiters”) som går i bane rundt solen deres på store avstander. Å observere mindre, steinete planeter (dvs. "jordlignende") som går i bane rundt nærmere solene deres - noe som ville plassere dem i stjernens beboelige sone - har imidlertid gått utenfor romteleskopets evner.
Av denne grunn har det astronomiske samfunnet gledet seg til dagen da neste generasjons teleskoper som JWST ville være tilgjengelig. Ved å undersøke spektrene av lys som passerer gjennom en steinete planetens atmosfære (en metode kjent som transmisjonsspektroskopi), vil forskere kunne se etter de indikatoriske indikatorene på oksygengass, karbondioksid, metan og andre tegn knyttet til liv (aka. "Biosignaturer “).
Et annet kritisk element for livet (som vi kjenner det) er vann, så signaturer av vanndamp i en planetens atmosfære er et hovedmål for fremtidige undersøkelser. Men i en ny studie ledet av Thaddeus Komacek, en postdoktor ved Institutt for geofysiske vitenskaper ved University of Chicago, er det mulig at enhver planet med rikelig overflatevann også vil ha rikelig med skyer (partikler av kondenserende is) i sin atmosfære .
Av hensyn til denne studien undersøkte Komacek og hans kolleger om disse skyene ville forstyrre forsøkene på å oppdage vanndamp i atmosfærene til bakkeeksoplaneter. På grunn av antall steinete eksoplaneter som er blitt oppdaget i de beboelige sonene til stjerner av M-type (rød dverg) de siste årene - som Proxima b - vil røde dverger i nærheten være et hovedfokus i fremtidige undersøkelser.
Som Komack forklarte til Space Magazine via e-post, er tidvis låste planeter som går i bane rundt røde dvergstjerner godt egnet til studier som involverer transmisjonsspektroskopi - og av flere årsaker:
"Transiterende planeter som kretser rundt røde dvergstjerner er gunstigere mål enn de som går i bane rundt sollignende stjerner fordi forholdet mellom planetens størrelse og størrelsen på stjernen er større. Størrelsen på signalet i overføringen skaleres som kvadratet av forholdet mellom størrelsen på planeten og størrelsen på stjernen, så det er et betydelig løft i signalet som går til mindre stjerner enn Jorden.
"En annen grunn til at planeter som kretser rundt røde dvergstjerner er mer gunstige å observere, er fordi den" beboelige sonen ", eller der vi forventer at det er flytende vann på overflaten av planeten, er mye nærmere stjernen ... På grunn av disse nærmere bane, beboelige steinete planeter som kretser rundt røde dvergstjerner, vil overføre stjernen deres mye oftere, noe som gjør at observatører kan ta mange gjentatte observasjoner.“
Med dette i bakhodet benyttet Komacek og teamet hans to modeller sammen for å generere syntetiske transmisjonsspektre av tidløst låste planeter rundt stjerner av M-type. Den første var ExoCAM utviklet av Dr. Eric Wolf fra Colorado University's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), en Community Earth System Model (CESM) som ble brukt til å simulere Jordens klima, som er tilpasset for å studere eksoplanettatmosfærer.
Ved hjelp av ExoCAM-modellen simulerte de klimaet til steinete planeter som kretser rundt røde dvergstjerner. For det andre ansatte de Planetary Spectrum Generator utviklet av NASAs Goddard Space Flight Center for å simulere transmisjonsspekteret som JWST ville oppdage fra sin simulerte planet. Som Komacek forklarte det:
“Disse ExoCAM-simuleringene beregnet tredimensjonale fordelinger av temperatur, blanding av vanndamp og skypartikler av væske og isvann. Vi fant at planeter som kretser rundt røde dvergstjerner er mye skyere enn Jorden. Dette er fordi hele deres dagside har et klima som ligner tropene på jorden, og at vanndamp lett blir løftet til lavt trykk der det kan kondensere og danne skyer som dekker store deler av planeten på planeten ...
“PSG ga resultater for den tilsynelatende størrelsen på planeten i overføring som en funksjon av bølgelengde, sammen med usikkerheten. Ved å se på hvordan størrelsen på signalet endret seg med bølgelengde, klarte vi å bestemme størrelsen på vanndampfunksjonene og sammenligne dem med usikkerhetsnivået. ”
Mellom disse to modellene kunne teamet simulere planeter med og uten skydekke, og hva JWST ville være i stand til å oppdage som et resultat. Når det gjelder førstnevnte, fant de ut at vanndamp i eksoplanettets atmosfære nesten helt sikkert ville være påviselig. De fant også ut at dette kunne gjøres for eksoplaneter på jordstørrelse på bare ti transiter eller mindre.
"[W] hønsen inkluderte vi virkningene av skyer, antall overganger JWST trengte å observere for å oppdage vanndamp økte med en faktor fra ti til hundre," sa Komacek. "Det er en naturlig grense for hvor mange transitter JWST kan observere for en gitt planet fordi JWST har en angitt nominell oppdragslengde på 5 år og overføringsobservasjonen kan bare tas når planeten går mellom oss og vertsstjernen."
De fant også ut at virkningen av skydekke var spesielt sterk med langsommere roterende planeter rundt røde dverger. I utgangspunktet vil planeter som har orbitalperioder lengre enn omtrent 12 dager, oppleve mer skydannelse på sine dager. "Vi fant at for planeter som går i bane rundt en stjerne som TRAPPIST-1 (det mest gunstige målet som er kjent), ville JWST ikke være i stand til å observere nok transitter til å oppdage vanndamp," sa Komacek.
Disse resultatene ligner det andre forskere har notert, la han til. I fjor viste en studie ledet av forskere ved NASA Goddard hvordan skydekning ville gjøre vanndamp uoppdagelig i atmosfærene til TRAPPIST-1-planetene. Tidligere denne måneden viste en annen NASA Goddard-støttet studie hvordan skyer vil senke amplituden av vanndamp til det punktet at JWST ville eliminere dem som bakgrunnsstøy.
Men før vi tenker at det er dårlige nyheter, presenterer denne studien noen forslag til hvordan disse begrensningene kan overvinnes. For eksempel, hvis oppdragstid er en faktor, kan JWST-oppdraget utvides, slik at forskere får mer tid til å samle inn data. Allerede håper NASA å ha romteleskopet i drift i ti år, så en misjonsutvidelse er allerede en mulighet.
Samtidig kan en senket signal-til-støy-terskel for deteksjon gjøre det mulig for flere signaler å bli plukket ut av spektrene (selv om det også vil bety flere falske positiver). I tillegg pekte Komacek og kollegene på at disse resultatene bare gjelder funksjoner som ligger under skydekket på eksoplaneter:
"Fordi vanndamp stort sett er fanget under skyens nivå, gjør den sterke skydekningen på planeter som kretser rundt røde dvergstjerner det utrolig utfordrende å oppdage vannfunksjoner. Det er viktig at JWST fortsatt vil være i stand til å begrense tilstedeværelsen av viktige atmosfæriske bestanddeler som karbondioksid og metan i bare et titalls transitt. "
Nok en gang støttes disse resultatene av tidligere forskning. I fjor undersøkte en studie fra University of Washington påvisbarheten og egenskapene til TRAPPIST-1-planetene og fant at skyer ikke sannsynligvis vil ha noen betydelig innvirkning på påvisbarheten av oksygen- og ozonfunksjoner - to viktige biosignaturer som er assosiert med tilstedeværelse av liv.
Så virkelig, JWST har kanskje bare problemer med å oppdage vanndamp i eksoplanettatmosfærer, i det minste når det gjelder tett skydekke. For andre biosignaturer bør JWST ikke ha problemer med å snuse dem ut, skyer eller ingen skyer. Store ting forventes å komme fra Webb, NASAs hittil kraftigste og mest sofistikerte romteleskop. Og det hele starter neste år!
