Hvordan vil skyer skjule udsynet til exoplanets overflader?

I 2021, NASAs næste generations observatorium, James Webb Space Telescope (JWST), vil tage til rummet. Når den er operationel, denne flagskibsmission vil samle op, hvor andre rumteleskoper – som Hubble, Kepler og Spitzer - slap. Det betyder, at udover at undersøge nogle af de største kosmiske mysterier, den vil også søge efter potentielt beboelige exoplaneter og forsøge at karakterisere deres atmosfærer.

Dette er en del af det, der adskiller JWST fra sine forgængere. Mellem dens høje følsomhed og infrarøde billeddannelsesmuligheder, det vil være i stand til at indsamle data om exoplanetatmosfærer som aldrig før. Imidlertid, som en NASA-støttet undersøgelse for nylig viste, planeter, der har tætte atmosfærer, kan også have omfattende skydække, hvilket kunne komplicere forsøg på at indsamle nogle af de vigtigste data af alle.

Årevis, astronomer har brugt transitfotometri (AKA transitmetoden) til at detektere exoplaneter ved at overvåge fjerne stjerner for fald i lysstyrke. Denne metode har også vist sig nyttig til at bestemme den atmosfæriske sammensætning af nogle planeter. Når disse kroppe passerer foran deres stjerner, lys passerer gennem planetens atmosfære, hvis spektre derefter analyseres for at se, hvilke kemiske grundstoffer der er til stede.

Indtil nu, denne metode har været nyttig, når man observerer massive planeter (gasgiganter og "super-Jupiters"), der kredser om deres sole på store afstande. Imidlertid, observere mindre, klippeplaneter (dvs. "jordlignende" planeter), der kredser tættere på deres sole, hvilket ville placere dem inden for stjernens beboelige zone, har været uden for rumteleskopers muligheder.

Af denne grund, det astronomiske samfund har set frem til næste generations teleskoper som JWST. Ved at undersøge spektrene af lys, der passerer gennem en stenet planets atmosfære (en metode kendt som transmissionsspektroskopi) vil forskere være i stand til at lede efter de afslørende indikatorer for oxygengas, carbondioxid, metan, og andre tegn forbundet med liv (AKA "biosignaturer").

Et andet kritisk element for livet, som vi kender det, er vand, så signaturer af vanddamp i en planets atmosfære er et primært mål for fremtidige undersøgelser. Men i en ny undersøgelse ledet af Thaddeus Komacek, en postdoc ved Institut for Geofysiske Videnskaber ved University of Chicago, det er muligt, at enhver planet med rigeligt overfladevand også vil have rigelige skyer (partikler af kondenserende is) i sin atmosfære.

Af hensyn til denne undersøgelse, Komacek og hans kolleger undersøgte, om disse skyer ville forstyrre forsøg på at detektere vanddamp i atmosfæren på terrestriske exoplaneter. På grund af antallet af stenede exoplaneter, der er blevet opdaget inden for de beboelige zoner af stjerner af M-typen (rød dværg) i de senere år, ligesom Proxima b, naborøde dværge vil være et stort fokus i fremtidige undersøgelser.

Som Komack forklarede til Universe Today via e-mail, tidevandslåste planeter, der kredser om røde dværgstjerner, er velegnede til undersøgelser, der involverer transmissionsspektroskopi - og af en række årsager:

"Transiterende planeter, der kredser om røde dværgstjerner, er mere gunstige mål end dem, der kredser om sollignende stjerner, fordi forholdet mellem planetens størrelse og stjernens størrelse er større. Størrelsen af ​​signalet i transmission skalerer som kvadratet af forholdet af planetens størrelse til stjernens størrelse, så der er et betydeligt løft i signalet, der går til mindre stjerner end Jorden.

"En anden grund til, at planeter, der kredser om røde dværgstjerner, er mere gunstige at observere, er fordi den 'beboelige zone' "eller hvor vi forventer, at der er flydende vand på planetens overflade, er meget tættere på stjernen... På grund af disse tættere baner, beboelige klippeplaneter, der kredser om røde dværgstjerner, vil transitere deres stjerne meget oftere, som giver observatører mulighed for at tage mange gentagne observationer."

Med det i tankerne, Komacek og hans team brugte to modeller sammen til at generere syntetiske transmissionsspektre af tidevandslåste 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) brugt til at simulere Jordens klima, som er blevet tilpasset til at studere exoplanetatmosfærer.

Ved at bruge ExoCAM-modellen, de simulerede klimaet af klippeplaneter, der kredser om røde dværgstjerner. Sekund, de brugte Planetary Spectrum Generator udviklet af NASAs Goddard Space Flight Center til at simulere det transmissionsspektrum, som JWST ville detektere fra deres simulerede planet. Som Komacek forklarede det:"Disse ExoCAM-simuleringer beregnede de tredimensionelle fordelinger af temperatur, vanddamp blandingsforhold, og væske- og isvandsskypartikler. Vi fandt ud af, at planeter, der kredser om røde dværgstjerner, er meget mere overskyet end Jorden. Dette skyldes, at hele deres dagside har et klima, der ligner Jordens troper, og så vanddamp bliver let løftet til lave tryk, hvor den kan kondensere og danne skyer, der dækker meget af planetens dagside... PSG gav resultater for planetens tilsyneladende størrelse i transmission som funktion af bølgelængde, sammen med usikkerheden. Ved at se på, hvordan størrelsen af ​​signalet ændrede sig med bølgelængden, vi var i stand til at bestemme størrelsen af ​​vanddampfunktioner og sammenligne dem med usikkerhedsniveauet."

Mellem disse to modeller, holdet var i stand til at simulere planeter med og uden skydække, og hvad JWST ville være i stand til at opdage som et resultat. I tilfældet med førstnævnte, de fandt ud af, at vanddamp i exoplanetens atmosfære næsten helt sikkert ville kunne påvises. De fandt også ud af, at dette kunne gøres for jordstore exoplaneter på kun 10 transitter eller færre.

"[Da] vi inkluderede virkningerne af skyer, antallet af transitter, JWST skal observere for at detektere vanddamp, steg med en faktor på 10 til 100, " sagde Komacek. "Der er en naturlig grænse for, hvor mange transitter JWST kan observere for en given planet, fordi JWST har en indstillet nominel missions levetid på fem år, og transmissionsobservationen kan kun tages, når planeten passerer mellem os og dens værtsstjerne."

De fandt også ud af, at indvirkningen af ​​skydække var særlig stærk med langsommere roterende planeter omkring røde dværge. I bund og grund, planeter, der har omløbsperioder længere end omkring 12 dage, ville opleve mere skydannelse på deres dagsider. "Vi fandt ud af, at for planeter, der kredser om en stjerne som TRAPPIST-1 (det mest gunstige kendte mål), JWST ville ikke være i stand til at observere nok transit til at detektere vanddamp, " sagde Komacek.

Disse resultater ligner, hvad andre forskere har bemærket, han tilføjede. Sidste år, en undersøgelse ledet af forskere ved NASA Goddard viste, hvordan skydække ville gøre vanddamp uopdagelig i atmosfæren på TRAPPIST-1 planeterne. Tidligere på måneden en anden NASA Goddard-støttet undersøgelse viste, at skyer vil sænke amplituden af ​​vanddamp til det punkt, at JWST ville eliminere dem som baggrundsstøj.

Men før vi går og tænker, at det hele er dårlige nyheder, denne undersøgelse præsenterer nogle forslag til at overvinde disse begrænsninger. For eksempel, hvis missionstid er en faktor, JWST-missionen kan udvides, så forskerne får mere tid til at indsamle data. Allerede, NASA håber at have rumteleskopet i drift i 10 år, så en missionsudvidelse er allerede en mulighed.

På samme tid, en sænket signal-til-støj-tærskel for detektion kunne gøre det muligt at plukke flere signaler ud af spektrene (selvom det ville betyde flere falske positiver, såvel). Ud over, Komacek og hans kolleger bemærker, at disse resultater kun gælder for funktioner, der er under skydækket på exoplaneter:"Fordi vanddamp for det meste er fanget under vandskyens niveau, den stærke skydækning på planeter, der kredser om røde dværgstjerner, gør det utroligt udfordrende at opdage vandtræk. Vigtigt, Det forventes, at JWST stadig vil være i stand til at begrænse tilstedeværelsen af ​​vigtige atmosfæriske bestanddele som kuldioxid og metan i kun et dusin transitter eller deromkring."

Endnu engang, disse resultater er understøttet af tidligere forskning. Sidste år, en undersøgelse fra University of Washington undersøgte sporbarheden og karakteristika for TRAPPIST-1-planeterne og fandt ud af, at skyer sandsynligvis ikke vil have en væsentlig indvirkning på sporbarheden af ​​ilt- og ozonegenskaber - to vigtige biosignaturer, der er forbundet med tilstedeværelsen af ​​liv .

Så virkelig, JWST har måske kun svært ved at detektere vanddamp i exoplanetatmosfærer, i hvert fald når det drejer sig om tæt skydække. JWST burde ikke have nogen problemer med at opsnuse andre biosignaturer, skyer eller ingen skyer. Store ting forventes at komme fra Webb, NASAs mest kraftfulde og sofistikerede rumteleskop til dato, og det hele starter næste år.