През 2021 г. обсерваторията на следващото поколение на НАСА Космически телескоп Джеймс Уеб (JWST), ще премине в космоса. След като започне да функционира, тази водеща мисия ще вземе там, където другите космически телескопи Хъбъл, Кеплер, и Spitzer - тръгна, напусна. Това означава, че освен да изследва някои от най-големите космически мистерии, ще търси и потенциално обитаеми екзопланети и ще се опитва да характеризира атмосферата им.
Това е част от това, което отличава JWST от неговите предшественици. Между възможностите си за висока чувствителност и инфрачервено изображение ще може да събира данни за екзопланетните атмосфери, както никога досега. Както показа наскоро подкрепеното от НАСА проучване, планетите с гъста атмосфера може също да имат обширна облачна покривка, което може да усложни опитите за събиране на някои от най-важните данни от всички.
От години астрономите използват Транзитна фотометрия (известна още като методът на транзит) за откриване на екзопланети, като наблюдават далечни звезди за потапяне в яркостта. Този метод се оказа също полезен при определяне на атмосферния състав на някои планети. Докато тези тела преминават пред звездите им, светлината преминава през тяхната атмосфера, спектрите на която след това се анализират, за да се видят какви химични елементи има.
Досега този метод е бил полезен, когато наблюдаваме огромни планети (газови гиганти и „Супер Юпитери“), които обикалят около орбитите си на големи разстояния. Въпреки това, наблюдаването на по-малки скалисти планети (т.е. „подобни на Земята“), които орбитат по-близо до своите слънца - което би ги поставило в обитаемата зона на звездата - е извън възможностите на космическите телескопи.
Поради тази причина астрономическата общност очаква с нетърпение деня, когато телескопите от ново поколение като JWST ще бъдат на разположение. Чрез изследване на спектрите на светлината, преминаваща през атмосферата на скалистата планета (метод, известен като трансмисионна спектроскопия), учените ще могат да търсят контролните индикатори за кислороден газ, въглероден диоксид, метан и други признаци, свързани с живота (т.нар. „Биосигнатури“ ").
Друг критичен елемент за живота (както го познаваме) е водата, така че подписите на водни пари в атмосферата на планетата са основна цел за бъдещи проучвания. Но в ново изследване, ръководено от Тадеус Комачек, докторантура от катедрата по геофизични науки в Чикагския университет, е възможно всяка планета с обилна повърхностна вода да има и обилни облаци (частици кондензиращ лед) в атмосферата си ,
В името на това проучване Комачек и неговите колеги проучиха дали тези облаци ще пречат на опитите за откриване на водна пара в атмосферите на земните екзопланети. Поради броя на скалистите екзопланети, които бяха открити в обитаемите зони на звезди от тип M (червено джудже) през последните години - като Proxima b - съседните червени джуджета ще бъдат основен фокус на бъдещите проучвания.
Както Комак обясни пред Space Magazine по електронната поща, планетите с платно заключване, които обикалят около орбитите червени джуджета, са подходящи за проучвания, включващи трансмисионна спектроскопия - и по редица причини:
„Транзитиращите планети, обикалящи около орбитите червени джуджета, са по-благоприятни цели от онези, които обикалят около Слънцето, тъй като съотношението между размера на планетата и размера на звездата е по-голямо. Размерът на сигнала в скалата на предаване като квадрат на съотношението на размера на планетата към размера на звездата, така че има значително усилване на сигнала към по-малки звезди от Земята.
„Друга причина планетите, които обикалят около звездите на червените джуджета, са по-благоприятни за наблюдение, е защото„ обитаемата зона “или там, където очакваме да има течна вода на повърхността на планетата, е много по-близо до звездата… Поради това по-близки орбити, обитаеми скалисти планети, обикалящи около червени звезди джуджета ще преминават през тяхната звезда много по-често, което позволява на наблюдателите да правят многократни наблюдения.“
Имайки това предвид, Комачек и неговият екип използваха два модела заедно, за да генерират синтетични спектри на предаване на планети с плътно заключени около звезди от тип М. Първият беше ExoCAM, разработен от д-р Ерик Уолф от лабораторията за атмосфера и космическа физика на университета в Колорадо (LASP), модел на системата на Общността на Земята (CESM), използван за симулиране на климата на Земята, който е пригоден да изследва атмосферата на екзопланети.
Използвайки модела ExoCAM, те симулираха климата на скалисти планети, обикалящи около орбитите на червени джуджета. Второ, те са използвали генератора на планетен спектър, разработен от центъра за космически полети на Годард на НАСА, за да симулират спектъра на предаване, който JWST би открил от тяхната симулирана планета. Както обясни Комачек:
„Тези симулации на ExoCAM изчислиха триизмерното разпределение на температурата, съотношението на смесване на водната пара и частиците от облак на течни и ледени води. Установихме, че планетите, които обикалят около звездите на червените джуджета, са много по-клодирани от Земята. Това е така, защото през целия им ден има климат, подобен на тропиците на Земята, и затова водната пара лесно се издига до ниско налягане, където може да се кондензира и да образува облаци, покриващи голяма част от деня на планетата ...
„PSG даде резултати за очевидния размер на планетата при предаване като функция от дължината на вълната, заедно с несигурността. Разглеждайки как размерът на сигнала се променя с дължината на вълната, ние успяхме да определим размера на характеристиките на водната пара и да ги сравним с нивото на несигурност. "
Между тези два модела екипът успя да симулира планети със и без облачно покритие и това, което JWST би могъл да открие в резултат. В случая с първия, те откриха, че водната пара в атмосферата на екзопланетата почти сигурно ще бъде открита. Те откриха също, че това може да се направи за екзопланети с размер на Земята само за десет транзита или по-малко.
„[W] кокошка включихме ефекта на облаците, броят на транзитите JWST, необходими за наблюдение, за да открием водни пари, се увеличи с коефициент от десет до сто“, каза Комачек. „Съществува естествено ограничение за броя транзити, които JWST може да наблюдава за дадена планета, тъй като JWST има зададен номинален живот на мисията от 5 години и наблюдението за предаване може да бъде извършено само когато планетата преминава между нас и нейната приемаща звезда.“
Те откриха също, че влиянието на облачната покривка е особено силно при бавно въртящи се планети около червени джуджета. По принцип планетите, които имат орбитални периоди по-дълги от около 12 дни, биха получили повече образуване на облаци по техните дни. „Установихме, че за планетите, обикалящи около ордена звезда като TRAPPIST-1 (най-благоприятната известна цел), JWST няма да може да наблюдава достатъчно транзити, за да открие водни пари“, каза Комачек.
Тези резултати са подобни на тези, които са отбелязали други изследователи, добави той. Миналата година проучване, проведено от изследователи от НАСА Годард, показа как облачната покривка ще направи водната пара неоткриваема в атмосферите на планетите TRAPPIST-1. По-рано този месец друго изследване, подкрепено от НАСА Годард, показа как облаците ще намалят амплитудата на водните пари до степен, че JWST ще ги елиминира като фонов шум.
Но преди да мислим, че всичко е лоша новина, това проучване представя някои предложения за това как тези ограничения могат да бъдат преодолени. Например, ако времето за мисия е фактор, мисията на JWST може да бъде удължена, така че учените да имат повече време за събиране на данни. Вече НАСА се надява космическият телескоп да работи в продължение на десет години, така че разширяването на мисията вече е възможно.
В същото време пониженият праг сигнал-шум за откриване може да позволи да се избират повече сигнали от спектрите (макар че това би означавало и повече фалшиви положителни резултати). В допълнение, Комачек и неговите колеги със сигурност посочиха, че тези резултати се отнасят само за функции, които са под облачната палуба на екзопланетите:
„Тъй като водната пара е предимно в капан под нивото на водния облак, силното облачно покритие на планетите, обикалящи около звездите на червените джуджета, прави невероятно предизвикателство за откриване на характеристики на водата. Важно е да се очаква, че JWST все още ще може да ограничи присъствието на ключови атмосферни съставки като въглероден диоксид и метан само за десетина транзита. “
Още веднъж тези резултати са подкрепени от предишни изследвания. Миналата година проучване от Университета във Вашингтон изследва откриваемостта и характеристиките на планетите TRAPPIST-1 и установи, че облаците вероятно няма да окажат значително влияние върху откриваемостта на кислородните и озоновите особености - две основни биосигнати, които са свързани с присъствие на живот.
Така че наистина JWST може да има проблеми с откриването на водни пари в атмосферата на екзопланета, поне когато става въпрос за гъста облачна покривка. За други биосигнатури JWST не трябва да има проблеми с издушването им, облаци или никакви облаци. Очаква се страхотните неща да дойдат от Уеб, най-мощният и сложен космически телескоп на НАСА до момента. И всичко ще започне през следващата година!
