2021. године, НАСА-ина опсерваторија нове генерације, Свемирски телескоп Јамес Вебб (ЈВСТ), прећи ће у свемир. Када буде оперативан, ова ће главна мисија покупити тамо где воле други свемирски телескопи Хуббле, Кеплер, и Спитзер - стало. То значи да ће поред истраживања неких од највећих космичких мистерија потражити и потенцијално насељене егзопланете и покушати да карактерише њихове атмосфере.
Ово је део онога што ЈВСТ издваја од његових претходника. Између својих високих осетљивости и инфрацрвених слика, моћи ће да прикупља податке о атмосфери егзопланета као никада до сада. Међутим, како је недавно показало истраживање које је подржала НАСА, планете са густом атмосфером могу такође имати обиман облачни покров, што може да искомпликује покушаје прикупљања неких од најважнијих података од свих.
Годинама су астрономи користили Транзитну фотометрију (ака. Транзитна метода) за откривање егзопланета праћењем удаљених звезда због падова у осветљености. Ова метода се такође показала корисном у одређивању састава атмосфере неких планета. Док та тела пролазе испред њихових звезда, светлост пролази кроз њихову атмосферу, чији се спектри анализирају да би се видели који су хемијски елементи тамо.
До сада је ова метода била корисна када се посматрају огромне планете (гасни дивови и „Супер Јупитери“) које орбитирају на њиховим сунцима на великим даљинама. Међутим, посматрање мањих, стеновитих планета (тј. "Налик Земљи") које орбитирају ближе својим сунцима - што би их ставило у зону насељене зоне звезде - било је изван могућности свемирских телескопа.
Из тог разлога, астрономска заједница радује се дану када ће бити доступни телескопи нове генерације попут ЈВСТ-а. Испитивањем спектра светлости који пролазе кроз атмосферу стеновитог планета (метода позната као трансмисиона спектроскопија) научници ће моћи да потраже индикативне сигнале гаса кисеоника, угљен-диоксида, метана и других знакова повезаних са животом (ака „биосигнатуре“ ”).
Још један критични елемент живота (колико га знамо) је вода, тако да су потписи водене паре у атмосфери планете главни циљ за будућа истраживања. Али у новој студији коју је водио Тхаддеус Комацек, постдокторски сарадник са одељења за геофизичке науке на Универзитету у Чикагу, могуће је да ће и свака планета са обилном површинском водом такође имати обилна облака (честице кондензујућег леда) у својој атмосфери .
За потребе ове студије, Комачек и његове колеге испитали су да ли ће ови облаци ометати покушаје откривања водене паре у атмосфери земаљских егзопланета. Због броја стеновитих егзопланета који су током последњих година откривени унутар насељених зона звезда М (црвених патуљака) - попут Прокиме б - суседни црвени патуљци биће главни фокус будућих истраживања.
Како је Комацк објаснио за Спаце Магазине путем е-поште, планете са тачно закључаним орбитама које носе орбите црвених патуљака добро су погодне за студије које укључују предајну спектроскопију - и то из неколико разлога:
„Транзитне планете које окружују црвене патуљасте звезде су повољније мете од оних које окружују звезде налик Сунцу јер је однос величине планете и величине звезде већи. Величина сигнала у преносној скали је квадрат величине односа величине планете и величине звезде, тако да постоји значајан пораст сигнала који иде ка мањим звездама од Земље.
„Још један разлог због којег су планете које окружују црвене патуљасте звезде погодније за посматрање је тај што је„ зона становања “, или тамо где очекујемо да ће на површини планете бити течне воде, много ближе звезди… Због њих ближе орбите, усељиве стеновите планете које орбитирају кроз црвене патуљасте звезде много ће чешће пролазити кроз њихову звезду, што омогућава посматрачима да врше многа поновљена запажања.“
Имајући то у виду, Комачек и његов тим користили су два модела заједно како би генерисали синтетичке спектралне трансмисије планета чврсто затворених око звезда типа М. Први је ЕкоЦАМ развио Лабораториј за физику атмосфере и свемира Универзитета Колорадо (ЛАСП), модел земаљског система заједнице (ЦЕСМ) који се користи за симулацију климатске Земље, а који је прилагођен за проучавање атмосфере егзопланета.
Помоћу модела ЕкоЦАМ, они су симулирали климу каменитих планета у орбити око црвених патуљастих звезда. Друго, запослили су генератор планетарног спектра који је развио НАСА-ин Годдард свемирски летни центар да би симулирали спектар преноса који ће ЈВСТ детектирати са њихове симулиране планете. Као што је Комачек објаснио:
„Ове ЕкоЦАМ симулације израчунале су тродимензионалну расподелу температуре, односа мешања водене паре и честица облака течне и ледене воде. Открили смо да су планете у орбити око звезда црвених патуљака много ближе Земљи. То је зато што њихова цела дана има климу сличну тропима Земље, па се водена пара лако спушта на ниске притиске где се може кондензовати и формирати облаке који прекривају већи део дана планете ...
„ПСГ је дао резултате за привидну величину планете у преносу као функцију таласне дужине, заједно са несигурношћу. Гледајући како се величина сигнала мењала са таласном дужином, били смо у могућности да одредимо величину водене паре и упоредимо их са нивоом несигурности. “
Између ова два модела, тим је био у стању да симулира планете са и без облака и шта би ЈВСТ могао да открије као резултат. У случају првог, открили су да ће се водена пара у атмосфери егзопланете готово сигурно детектовати. Такође су открили да би се то могло учинити за егзопланете величине Земље у само десет транзита или мање.
"[В] хен укључили смо ефекте облака, број транзита ЈВСТ потребан за посматрање ради откривања водене паре повећао се за фактор од десет до сто", рекао је Комачек. "Постоји природно ограничење колико транзита ЈВСТ може да примети за одређену планету, јер ЈВСТ има постављени номинални век мисије од 5 година, а посматрање преноса може се обавити само када планета прође између нас и његове звезде домаћина."
Такође су открили да је утицај облачног покривача био посебно снажан код спорије ротирајућих планета око црвених патуљака. У основи, планете са орбиталним периодима дужим од око 12 дана доживеле би више облака на својим дневним странама. "Открили смо да за планете које орбитирају око звезде попут ТРАППИСТ-1 (најповољнијег познатог циља), ЈВСТ неће моћи да опази довољно транзита да открије водену пару", рекао је Комацек.
Ти су резултати слични ономе што су примијетили други истраживачи, додао је. Прошле године, истраживање које су предводили истраживачи из НАСА Годдард показало је како облачни покривач чини водену пару неприметном у атмосфери планета ТРАППИСТ-1. Раније овог месеца, друго истраживање које је подржала НАСА Годдард показало је како ће облаци смањити амплитуду водене паре до тачке да ће их ЈВСТ елиминисати као позадински шум.
Али пре него што размислимо да су све лоше вести, ова студија представља неке предлоге како се та ограничења могу превазићи. На пример, ако је време мисије фактор, мисија ЈВСТ може се продужити како би научници имали више времена за прикупљање података. НАСА се већ нада да ће свемирски телескоп бити у функцији десет година, тако да је проширење мисије већ могућност.
У исто време, спуштени праг сигнал-шум за детекцију могао би да омогући да се из спектра изабере више сигнала (мада би то значило и више лажних позитивних вредности). Поред тога, Комачек и његове колеге били су сигурни да истичу да се ови резултати односе само на карактеристике које су испод палубе облака на егзопланетима:
„Будући да је водена пара углавном заробљена испод нивоа воденог облака, снажна покривеност облака на планетама у орбити око звезда црвених патуљака чини невероватно изазов откривати карактеристике воде. Оно што је важно, очекује се да ће ЈВСТ и даље бити у могућности да ограничи присуство кључних атмосферских састојака попут угљен-диоксида и метана у само десетак транзита или тако нешто. "
Опет, ови резултати су подржани претходним истраживањима. Прошле године, истраживање са Универзитета у Васхингтону испитало је детектибилност и карактеристике планета ТРАППИСТ-1 и установило да облаци вероватно неће имати значајан утицај на откривање кисеоничких и озонских карактеристика - две кључне биосигнате које су повезане са присуство живота.
Дакле, ЈВСТ ће можда имати потешкоћа само у откривању водене паре у егзопланетним атмосферама, барем када је у питању густи облачни покривач. За остале биосигнатуре, ЈВСТ не би требао имати проблема да их исисава, облаци или без облака. Очекују се да ће велике ствари доћи од Вебба, НАСА-овог најмоћнијег и најсофистициранијег свемирског телескопа до данас. И све ће почети следеће године!
