В 2021 году обсерватория следующего поколения НАСА Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST), выйдет в космос. После запуска эта флагманская миссия подхватит другие космические телескопы, например Хаббл, Кеплер, а также Spitzer - остановился. Это означает, что в дополнение к исследованию некоторых из самых больших космических загадок, он также будет искать потенциально обитаемые экзопланеты и пытаться охарактеризовать их атмосферу.
Это часть того, что отличает JWST от его предшественников. Благодаря высокой чувствительности и возможностям инфракрасной визуализации, он сможет собирать данные об атмосферах экзопланет, как никогда раньше. Однако, как недавно показали исследования, поддерживаемые НАСА, планеты с плотной атмосферой могут также иметь обширный облачный покров, что может осложнить попытки собрать некоторые из наиболее важных данных.
В течение многих лет астрономы использовали Transit Photometry (также известный как Transit Method) для обнаружения экзопланет путем мониторинга отдаленных звезд на предмет падения яркости. Этот метод также оказался полезным при определении состава атмосферы некоторых планет. Когда эти тела проходят перед своими звездами, свет проходит через их атмосферу, спектры которой затем анализируются, чтобы увидеть, какие там химические элементы.
До сих пор этот метод был полезен при наблюдении массивных планет (газовых гигантов и «супер-юпитеров»), которые вращаются вокруг своих солнц на больших расстояниях. Тем не менее, наблюдение небольших каменистых планет (то есть «похожих на Землю»), которые движутся по орбите ближе к своим солнцам, которые поместили бы их в обитаемую зону звезды, было недоступно космическим телескопам.
По этой причине астрономическое сообщество с нетерпением ожидает того дня, когда появятся телескопы следующего поколения, такие как JWST. Исследуя спектры света, проходящего через атмосферу каменистой планеты (метод, известный как трансмиссионная спектроскопия), ученые смогут искать контрольные индикаторы кислорода, газа, углекислого газа, метана и других признаков, связанных с жизнью (так называемые «биосигнатуры»). «).
Другим критическим элементом для жизни (как мы его знаем) является вода, поэтому сигнатуры водяного пара в атмосфере планеты являются главной целью для будущих исследований. Но в новом исследовании, проведенном Таддеусом Комачеком, научным сотрудником Отдела геофизических наук в Университете Чикаго, возможно, что любая планета с обильной поверхностной водой также будет иметь много облаков (частиц конденсирующегося льда) в ее атмосфере ,
Ради этого исследования Комачек и его коллеги исследовали, будут ли эти облака мешать попыткам обнаружить водяной пар в атмосфере наземных экзопланет. Из-за количества скалистых экзопланет, которые были обнаружены в обитаемых зонах звезд M-типа (красный карлик) в последние годы, например, Proxima b, соседние красные карлики будут в центре внимания будущих исследований.
Как объяснил Комак в журнале Space Magazine по электронной почте, планеты с тидальной блокировкой, которые вращаются вокруг звезд красных карликов, хорошо подходят для исследований, связанных с трансмиссионной спектроскопией, и по ряду причин:
«Транзитные планеты, вращающиеся вокруг звезд красного карлика, являются более благоприятными целями, чем те, которые вращаются вокруг звезд, подобных Солнцу, потому что отношение размера планеты к размеру звезды больше. Размер передаваемого сигнала масштабируется как квадрат отношения размера планеты к размеру звезды, поэтому сигнал значительно усиливается при переходе к звездам меньшего размера, чем Земля.
«Другая причина, по которой планеты, вращающиеся вокруг звезд красных карликов, более благоприятны для наблюдения, заключается в том, что« обитаемая зона », или где мы ожидаем, что на поверхности планеты будет жидкая вода, намного ближе к звезде… Из-за этих на близких орбитах обитаемые скалистые планеты, вращающиеся вокруг звезд красного карлика, будут проходить через них гораздо чаще, что позволяет наблюдателям проводить многократные повторные наблюдения.“
Имея это в виду, Комачек и его команда использовали две модели совместно для генерации синтетических спектров пропускания прилипших планет вокруг звезд М-типа. Первым был ExoCAM, разработанный д-ром Эриком Вольфом из Лаборатории физики атмосферы и космоса при Колорадском университете (LASP), модель системы сообщества Земли (CESM), используемая для моделирования климата Земли, которая была адаптирована для изучения атмосфер экзопланет.
Используя модель ExoCAM, они моделировали климат скалистых планет, вращающихся вокруг звезд красных карликов. Во-вторых, они использовали Генератор Планетного Спектра, разработанный Центром космических полетов имени Годдарда НАСА для моделирования спектра передачи, который JWST будет обнаруживать на их моделируемой планете. Как объяснил Комачек:
«Эти модели ExoCAM рассчитали трехмерные распределения температуры, соотношения водяного пара и частиц жидкости и облака ледяной воды. Мы обнаружили, что планеты, вращающиеся вокруг звезд красных карликов, намного облачнее Земли. Это потому, что весь их дневной климат имеет климат, подобный тропикам Земли, и поэтому водяной пар легко поднимается до низких давлений, где он может конденсироваться и образовывать облака, которые покрывают большую часть дневной части планеты…
«PSG дал результаты для видимого размера планеты в передаче в зависимости от длины волны, наряду с неопределенностью. Посмотрев, как размер сигнала изменяется с длиной волны, мы смогли определить размер характеристик водяного пара и сравнить их с уровнем неопределенности ».
Между этими двумя моделями команда смогла моделировать планеты с облачным покровом и без него, и то, что JWST сможет обнаружить в результате. В первом случае они обнаружили, что водяной пар в атмосфере экзопланеты почти наверняка будет обнаружен. Они также обнаружили, что это можно сделать для экзопланет размером с Землю всего за десять или менее транзитов.
«Когда мы включили эффекты облаков, количество проходов, которое JWST необходимо было наблюдать, чтобы обнаружить водяной пар, увеличилось в десять-сто раз», - сказал Комачек. «Существует естественное ограничение на количество транзитов, которые JWST может наблюдать для данной планеты, потому что JWST имеет установленное номинальное время жизни миссии в 5 лет, и наблюдение за передачей может осуществляться только тогда, когда планета проходит между нами и ее принимающей звездой».
Они также обнаружили, что влияние облачного покрова было особенно сильным, когда планеты вокруг красных карликов вращались медленнее. По существу, планеты, у которых периоды обращения более 12 дней, будут более интенсивно образовывать облака на своих дневных сторонах. «Мы обнаружили, что для планет, вращающихся вокруг такой звезды, как TRAPPIST-1 (самая благоприятная из известных целей), JWST не сможет наблюдать достаточно транзитов для обнаружения водяного пара», - сказал Комачек.
Эти результаты похожи на то, что отметили другие исследователи, добавил он. В прошлом году исследование, проведенное учеными НАСА Годдарда, показало, как облачный покров может сделать водяной пар необнаружимым в атмосферах планет TRAPPIST-1. Ранее в этом месяце другое исследование НАСА, поддержанное Годдардом, показало, как облака снижают амплитуду водяного пара до такой степени, что JWST устранит их как фоновый шум.
Но прежде чем мы начнем думать, что это все плохие новости, это исследование представляет некоторые предложения о том, как эти ограничения могут быть преодолены. Например, если время миссии является фактором, миссия JWST может быть продлена, чтобы у ученых было больше времени для сбора данных. НАСА уже надеется запустить космический телескоп в течение десяти лет, поэтому продление миссии уже возможно.
В то же время, пониженный порог сигнал / шум для обнаружения может позволить выделить больше сигналов из спектров (хотя это также будет означать больше ложных срабатываний). Кроме того, Комачек и его коллеги были уверены, что эти результаты применимы только к функциям, которые находятся ниже облачной колоды на экзопланетах:
«Поскольку водяные пары в основном задерживаются ниже уровня водяных облаков, сильное облачное покрытие на планетах, вращающихся вокруг звезд красных карликов, делает невероятно сложным обнаружение водных объектов. Важно отметить, что ожидается, что JWST все еще сможет ограничивать присутствие ключевых атмосферных составляющих, таких как углекислый газ и метан, только в дюжине транзитов или около того ».
Еще раз, эти результаты подтверждаются предыдущими исследованиями. В прошлом году исследование, проведенное в Университете штата Вашингтон, изучило обнаруживаемость и характеристики планет TRAPPIST-1 и обнаружило, что облака вряд ли окажут существенное влияние на обнаруживаемость характеристик кислорода и озона - две ключевые биосигнатуры, связанные с присутствие жизни.
Таким образом, JWST может испытывать трудности только с обнаружением водяного пара в атмосферах экзопланет, по крайней мере там, где речь идет о плотном облачном покрове. Для других биосигнатур JWST не должно быть проблем с их обнаружением, облаками или без облаков. От Webb, самого мощного и совершенного космического телескопа НАСА на сегодняшний день, ожидаются большие вещи. И все это начнется в следующем году!
