År 2021, NASA: s nästa generations observatorium, the James Webb rymdteleskop (JWST), tar till rymden. När det är operationellt kommer detta flaggskeppuppdrag att ta sig upp där andra rymdteleskoper - liknande Hubble, Kepler, och Spitzer - slutade. Detta innebär att förutom att undersöka några av de största kosmiska mysterierna kommer den också att söka efter potentiellt bebodda exoplaneter och försöka karakterisera deras atmosfärer.
Detta är en del av det som skiljer JWST från sina föregångare. Mellan dess höga känslighet och infraröda avbildningsmöjligheter kommer den att kunna samla in data om exoplanet-atmosfärer som aldrig tidigare. Men som en NASA-stödd studie nyligen visade, planeter som har tät atmosfär kan också ha omfattande molntäcke, vilket kan komplicera försök att samla några av de viktigaste uppgifterna av alla.
I flera år har astronomer använt Transit Photometry (alias Transit Method) för att upptäcka exoplaneter genom att övervaka avlägsna stjärnor för fall i ljusstyrka. Denna metod har också visat sig vara användbar för att bestämma den atmosfäriska sammansättningen av vissa planeter. När dessa kroppar passerar framför sina stjärnor passerar ljus genom deras atmosfär, vars spektra analyseras sedan för att se vilka kemiska element som finns där.
Hittills har denna metod varit användbar när man observerar massiva planeter (gasjättar och ”Super Jupiters”) som kretsar kring deras solar på stora avstånd. Men att observera mindre, steniga planeter (dvs ”jordliknande”) som går i närhet till deras solar - vilket skulle sätta dem inom stjärnans bebodliga zon - har varit bortom rymdteleskopets kapacitet.
Av denna anledning har det astronomiska samfundet sett fram emot dagen då nästa generations teleskop som JWST skulle vara tillgängliga. Genom att undersöka spektrat av ljus som passerar genom en stenig planetens atmosfär (en metod känd som transmissionsspektroskopi) kommer forskare att kunna leta efter de tydliga indikatorerna på syregas, koldioxid, metan och andra tecken associerade med livet (aka. "Biosignaturer ”).
Ett annat kritiskt element för livet (som vi känner till det) är vatten, så signaturer av vattenånga i en planetens atmosfär är ett huvudmål för framtida undersökningar. Men i en ny studie ledd av Thaddeus Komacek, en postdoktor vid institutionen för geofysiska vetenskaper vid University of Chicago, är det möjligt att alla planeter med rikligt ytvatten också kommer att ha rikliga moln (partiklar av kondenserande is) i sin atmosfär .
För studiens skull undersökte Komacek och hans kollegor huruvida dessa moln skulle störa försök att upptäcka vattenånga i atmosfären i mark exoplaneter. På grund av antalet steniga exoplaneter som har upptäckts inom de bebörliga zonerna av M-typ (röd dvärg) stjärnor under de senaste åren - som Proxima b - kommer grannröda dvärgar att vara ett stort fokus i framtida undersökningar.
Som Komack förklarade till Space Magazine via e-post, är tidigt låsta planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor väl lämpade för studier som involverar transmissionsspektroskopi - och av flera skäl:
”Transiterande planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor är mer gynnsamma mål än de som kretsar kring solliknande stjärnor eftersom förhållandet mellan planetens storlek och stjärnans storlek är större. Storleken på signalen i överföringen skalar som kvadratet av förhållandet mellan planetens storlek och stjärnans storlek, så det finns ett betydande uppsving i signalen som går till mindre stjärnor än jorden.
”En annan anledning till att planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor är mer gynnsamma att observera är att den" bebodliga zonen ", eller där vi förväntar oss att det finns flytande vatten på planetens yta, är mycket närmare stjärnan ... På grund av dessa närmare banor kommer bebyggda steniga planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor att passera sin stjärna mycket oftare, vilket gör att observatörer kan ta många upprepade observationer.“
Med detta i åtanke använde Komacek och hans team två modeller tillsammans för att generera syntetiska transmissionsspektra av tidigt låsta planeter runt stjärnor av M-typ. Den första var ExoCAM utvecklad av Dr. Eric Wolf från Colorado University's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), en Community Earth System Model (CESM) som används för att simulera jordens klimat, som har anpassats för att studera exoplanet-atmosfärer.
Med hjälp av ExoCAM-modellen simulerade de klimatet i klippiga planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor. För det andra anställde de Planetary Spectrum Generator utvecklad av NASAs Goddard Space Flight Center för att simulera transmissionsspektrum som JWST skulle upptäcka från deras simulerade planet. Som Komacek förklarade det:
”Dessa ExoCAM-simuleringar beräknade tredimensionella fördelningar av temperatur, blandning av vattenånga och molnpartiklar för vätska och isvatten. Vi fann att planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor är mycket molnigare än jorden. Detta beror på att hela deras dagtid har ett klimat som liknar jordens tropiker, och därför får vattenånga lätt höjs till låga tryck där det kan kondensera och bilda moln som täcker mycket av planeten på dagen ...
”PSG gav resultat för den uppenbara storleken på planeten i transmissionen som en funktion av våglängden, tillsammans med osäkerheten. Genom att titta på hur storleken på signalen förändrades med våglängden kunde vi bestämma storleken på vattenångsfunktioner och jämföra dem med osäkerhetsnivån. ”
Mellan dessa två modeller kunde teamet simulera planeter med och utan molntäckning, och vad JWST skulle kunna upptäcka som ett resultat. När det gäller det förstnämnda, fann de att vattenånga i exoplanetens atmosfär nästan säkert skulle kunna upptäckas. De fann också att detta kunde göras för exoplaneter i jordstorlek på bara tio transiter eller mindre.
"[W] höna inkluderade vi effekterna av moln, antalet transiter som JWST behövde observera för att upptäcka vattenånga ökade med en faktor från tio till hundra," sade Komacek. "Det finns en naturlig gräns för hur många transiter JWST kan observera för en given planet eftersom JWST har en fastställd nominell uppdragslevnad på fem år och överföringsobservationen kan endast tas när planeten passerar mellan oss och dess värdstjärna."
De fann också att effekterna av molntäckningen var särskilt stark med långsammare roterande planeter runt röda dvärgar. I grund och botten skulle planeter som har omloppsperioder längre än cirka 12 dagar uppleva mer molnbildning på sina dagar. "Vi fann att för planeter som kretsar runt en stjärna som TRAPPIST-1 (det mest gynnsamma målet känt), skulle JWST inte kunna observera tillräckligt med transiter för att upptäcka vattenånga," sade Komacek.
Dessa resultat liknar vad andra forskare har noterat, tillade han. Förra året visade en studie som leddes av forskare vid NASA Goddard hur molntäckningen skulle göra vattenånga omöjlig att upptäcka i atmosfären på TRAPPIST-1-planeterna. Tidigare denna månad visade en annan NASA Goddard-stödd studie hur moln kommer att sänka amplituden av vattenånga till den punkt att JWST skulle eliminera dem som bakgrundsljud.
Men innan vi tänker att det är allt dåliga nyheter, presenterar denna studie några förslag på hur dessa begränsningar skulle kunna övervinnas. Till exempel, om uppdragstid är en faktor, kan JWST-uppdraget förlängas så att forskare får mer tid att samla in data. Redan hoppas NASA ha rymdteleskopet i drift i tio år, så en uppdragsförlängning är redan en möjlighet.
Samtidigt kan en sänkt signal-till-brusgräns för detektering möjliggöra att fler signaler plockas ut ur spektra (även om det också skulle betyda mer falska positiva effekter). Dessutom påpekade Komacek och hans kollegor att dessa resultat endast gäller funktioner som ligger under molndäck på exoplaneter:
”Eftersom vattenånga oftast fångas under vattenmolnivån gör den starka molntäckningen på planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor det oerhört utmanande att upptäcka vattenfunktioner. Det är viktigt att JWST fortfarande kommer att kunna begränsa förekomsten av viktiga atmosfäriska beståndsdelar som koldioxid och metan på bara ett dussin transiter eller så. "
Återigen stöds dessa resultat av tidigare forskning. Förra året undersökte en studie från University of Washington detekterbarheten och egenskaperna hos TRAPPIST-1-planeterna och fann att moln sannolikt inte kommer att ha någon betydande inverkan på detekterbarheten av syre- och ozonfunktioner - två viktiga biosignaturer som är associerade med livets närvaro.
Så verkligen kan JWST bara ha svårt att upptäcka vattenånga i exoplanet-atmosfärer, åtminstone när det gäller tät molntäckning. För andra biosignaturer bör JWST inte ha problem med att sniffa ut dem, moln eller inga moln. Stora saker förväntas komma från Webb, NASAs hittills mest kraftfulla och sofistikerade rymdteleskop. Och det börjar allt nästa år!
