I 2021 blev NASAs næste generations observatorium, the James Webb-rumteleskop (JWST), tager plads. Når den er operationel, vil denne flagskibsmission hente, hvor andre rumteleskoper - som Hubble, Kepler, og Spitzer - slap. Dette betyder, at det udover at undersøge nogle af de største kosmiske mysterier også vil søge efter potentielt beboelige exoplaneter og forsøge at karakterisere deres atmosfærer.
Dette er en del af, hvad der adskiller JWST fra sine forgængere. Mellem dens høje følsomhed og infrarøde billeddannelsesfunktioner vil det være i stand til at indsamle data om eksoplanet-atmosfærer som aldrig før. Som en nylig understøttet undersøgelse af NASA for nylig viste, kunne planeter, der har tæt atmosfære, også have omfattende skydække, hvilket kan komplicere forsøg på at indsamle nogle af de vigtigste data af alle.
I årevis har astronomer brugt Transit Photometry (også kendt som Transit Method) til at detektere exoplaneter ved at overvåge fjerne stjerner for dips i lysstyrke. Denne metode har også vist sig at være nyttig til bestemmelse af den atmosfæriske sammensætning af nogle planeter. Når disse kropper passerer foran deres stjerner, passerer lys gennem deres atmosfære, hvis spektre derefter analyseres for at se, hvilke kemiske elementer der er.
Indtil videre har denne metode været nyttig, når man observerer massive planeter (gasgiganter og “Super Jupiters”), der kredser om deres sol i store afstande. Dog har man observeret mindre, stenede planeter (dvs. ”Jordlignende”), der går i kredsløb tættere på deres solskin - hvilket ville sætte dem inden for stjernens beboelige zone - uden for rumteleskopets muligheder.
Af denne grund har det astronomiske samfund set frem til den dag, hvor næste generations teleskoper som JWST ville være tilgængelige. Ved at undersøge spektret af lys, der passerer gennem en stenet planetens atmosfære (en metode kendt som transmissionsspektroskopi), vil videnskabsmænd være i stand til at kigge efter de tydelige indikatorer på iltgas, kuldioxid, metan og andre tegn, der er forbundet med livet (alias. "Biosignaturer ”).
Et andet kritisk element for livet (som vi kender det) er vand, så underskrifter af vanddamp i en planetens atmosfære er et hovedmål for fremtidige undersøgelser. Men i en ny undersøgelse ledet af Thaddeus Komacek, en postdoktor ved Institut for Geofysiske Videnskaber ved University of Chicago, er det muligt, at enhver planet med rigeligt overfladevand også har rigelige skyer (partikler af kondenserende is) i sin atmosfære .
Af hensyn til denne undersøgelse undersøgte Komacek og hans kolleger, om disse skyer ville forstyrre forsøg på at påvise vanddamp i atmosfærerne i landlige exoplaneter. På grund af antallet af stenede eksoplaneter, der er blevet opdaget inden for de beboelige zoner af M-type (rød dværg) stjerner i de senere år - som Proxima b - vil nabostede røde dværge være et stort fokus i fremtidige undersøgelser.
Som Komack forklarede til Space Magazine via e-mail, er tidligt låste planeter, der kredser om røde dværgstjerner, velegnet til undersøgelser, der involverer transmissionsspektroskopi - og af en række grunde:
”Transiterende planeter, der kredser rundt om røde dværgstjerner, er mere gunstige mål end dem, der kredser om sollignende stjerner, fordi forholdet mellem planeten og størrelsen på stjernen er større. Størrelsen på signalet i transmission skalerer som kvadratet af forholdet mellem planetens størrelse og stjernens størrelse, så der er et markant løft i signalet, der går til mindre stjerner end Jorden.
”En anden grund til, at planeter, der kredser rundt om røde dværgstjerner, er mere gunstige at observere, er fordi den” beboelige zone ”, eller hvor vi forventer, at der er flydende vand på planets overflade, er meget tættere på stjernen… På grund af disse tættere på kredsløb, vil beboelige klippeplaneter, der kredser om røde dværgstjerner, passere deres stjerne meget oftere, hvilket gør det muligt for observatører at tage mange gentagne observationer.“
Med dette for øje anvendte Komacek og hans team to modeller sammen for at generere syntetiske transmissionsspektre af tidligt låste planeter omkring stjerner af M-typen. Den første var ExoCAM udviklet af Dr. Eric Wolf fra Colorado University's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), en Community Earth System Model (CESM), der blev brugt til at simulere Jordens klima, som er blevet tilpasset til at studere eksoplanet-atmosfærer.
Ved hjælp af ExoCAM-modellen simulerede de klimaet i stenede planeter, der kredser om røde dværgstjerner. For det andet ansatte de Planetary Spectrum Generator udviklet af NASA's Goddard Space Flight Center for at simulere transmissionsspektret, som JWST ville detektere fra deres simulerede planet. Som Komacek forklarede det:
”Disse ExoCAM-simuleringer beregnet den tredimensionelle fordeling af temperatur, vanddampblandingsforhold og væske- og isvandskypartikler. Vi fandt, at planeter, der kredser rundt om røde dværgstjerner, er meget skyere end Jorden. Dette skyldes, at hele deres dagesiden har et klima, der ligner jordens tropiske planter, og vanddamp bliver let let til højt tryk, hvor det kan kondensere og danne skyer, der dækker store dele af planeten på dagen ...
”PSG gav resultater for den tilsyneladende størrelse på planeten i transmission som en funktion af bølgelængde sammen med usikkerheden. Ved at se på, hvordan størrelsen på signalet ændrede sig med bølgelængde, var vi i stand til at bestemme størrelsen på vanddampfunktioner og sammenligne dem med usikkerhedsniveauet. ”
Mellem disse to modeller var teamet i stand til at simulere planeter med og uden skydække, og hvad JWST ville være i stand til at registrere som et resultat. I tilfælde af førstnævnte fandt de, at vanddamp i eksoplanetets atmosfære næsten helt sikkert kunne opdages. De fandt også, at dette kunne gøres for eksoplaneter i jordstørrelse på kun ti transiter eller mindre.
"[W] høne, vi inkluderede virkningerne af skyer, antallet af transit JWST var nødvendigt at observere for at detektere vanddamp steg med en faktor fra ti til hundrede," sagde Komacek. "Der er en naturlig grænse for, hvor mange transitter JWST kan observere for en given planet, fordi JWST har en indstillet nominel missionstidslevetid på 5 år, og transmissionsobservationen kan kun tages, når planeten passerer mellem os og dens værtstjerne."
De fandt også, at virkningen af skydække var særlig stærk med langsommere roterende planeter omkring røde dværge. Grundlæggende vil planeter, der har orbitalperioder længere end ca. 12 dage, opleve mere skydannelse på deres dage. ”Vi fandt, at for planeter, der kredser rundt om en stjerne som TRAPPIST-1 (det mest gunstige mål, der er kendt), ville JWST ikke være i stand til at observere nok transitter til at detektere vanddamp,” sagde Komacek.
Disse resultater ligner det, som andre forskere har bemærket, tilføjede han. Sidste år viste en undersøgelse, der blev ledet af forskere ved NASA Goddard, hvordan skydække ville gøre vanddamp uopdagelig i atmosfærerne på TRAPPIST-1-planeterne. Tidligere denne måned viste en anden NASA Goddard-understøttet undersøgelse, hvordan skyer vil sænke amplituden af vanddamp til det punkt, at JWST ville eliminere dem som baggrundsstøj.
Men inden vi tænker, at det er dårlige nyheder, viser denne undersøgelse nogle forslag til, hvordan disse begrænsninger kunne overvindes. For eksempel, hvis missionstiden er en faktor, kan JWST-missionen forlænges, så forskere får mere tid til at indsamle data. Allerede håber NASA at have rumteleskopet i drift i ti år, så en udvidelse af en mission er allerede en mulighed.
På samme tid kan en sænket signal-til-støjgrænse til detektion muliggøre, at flere signaler plukkes ud af spektrene (skønt det også ville betyde flere falske positiver). Derudover var Komacek og hans kolleger sikker på at påpege, at disse resultater kun gælder funktioner, der er under skydækket på exoplaneter:
”Da vanddamp for det meste er fanget under vandskyeniveauet, gør den stærke skydækning på planeter, der kredser om røde dværgstjerner, det utroligt udfordrende at opdage vandfunktioner. Det er vigtigt at det forventes, at JWST stadig vil være i stand til at begrænse tilstedeværelsen af centrale atmosfæriske bestanddele som kuldioxid og methan i kun et dusin transit eller deromkring. ”
Endnu en gang understøttes disse resultater af tidligere forskning. Sidste år undersøgte en undersøgelse fra University of Washington detekterbarheden og egenskaberne ved TRAPPIST-1-planeterne og fandt, at skyer sandsynligvis ikke har en betydelig indflydelse på detekterbarheden af ilt- og ozonfunktioner - to centrale biosignaturer, der er forbundet med tilstedeværelse af liv.
Så virkelig har JWST muligvis kun svært ved at registrere vanddamp i eksoplanet-atmosfærer, i det mindste når det drejer sig om tæt skydække. For andre biosignaturer bør JWST ikke have problemer med at snuse dem ud, skyer eller ingen skyer. Store ting forventes at komme fra Webb, NASAs hittil mest kraftfulde og sofistikerede rumteleskop. Og det hele starter næste år!
