Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Lucky MESSENGER-data ophæver en langvarig idé om Venus-atmosfære

Venus som fanget af NASAs MESSENGER-rumfartøj den 5. juni, 2007. Samme dag MESSENGERs neutronspektrometer indsamlede data om neutroner, der udsendes fra Venus' atmosfære, som videnskabsmænd senere indså kunne afsløre detaljer om nitrogenkoncentrationer i atmosfæren. Kredit:NASA/Johns Hopkins APL/Carnegie Institution of Washington

Filosof Nicholas Rescher skrev engang, "Videnskabelige opdagelser gøres ofte ikke på grundlag af en eller anden gennemtænkt undersøgelsesplan, men gennem et eller andet lykketræf."

For et team af forskere ved Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) i Laurel, Maryland, det udsagn kunne ikke være mere sandt.

Hvad startede som et tørløb for at sikre instrumenter på NASAs Mercury Surface, Rummiljø, Geochemistry and Ranging (MESSENGER) rumfartøjer fungerede korrekt, blev senere til en 10-årig saga, der resulterede i en tilfældig opdagelse, der ikke var relateret til missionens målplanet, Merkur. Det handler om Venus og dens atmosfære.

Holdet rapporterer 20. april i Natur astronomi at data tilfældigt indsamlet af MESSENGER afslører en pludselig stigning i nitrogenkoncentrationer omkring 30 miles over Venus' overflade, at demonstrere, at planetens atmosfære ikke er ensartet blandet, som forventet. Denne konstatering øger en forståelse af Venus' atmosfære, der har hersket i årtier.

Historien startede i juni 2007, da MESSENGER sejlede over Venus for sin anden forbiflyvning, før den drejede mod Merkur. Missionsinstrumenthold benyttede lejligheden til at teste deres enheder og indsamle data, før det rigtige show skulle begynde omkring seks måneder senere.

Blandt teammedlemmerne var David Lawrence, en kernefysiker ved APL. Han var instrumentforsker for MESSENGERs neutronspektrometer, som registrerer neutroner, der er sat løs i rummet fra kosmiske stråler, der kolliderer med molekyler i en planets atmosfære eller overflade. Det havde til formål at finde de afslørende tegn på neutroner, der kommer fra brintatomer i vandmolekyler, der blev formodet (og senere bekræftet) for at være frosset i kraterskyggerne ved Mercurys poler.

Over Venus, imidlertid, Lawrence ville bare indsamle nogle data for at bekræfte, at instrumentet fungerede korrekt. Et første tjek viste, at det virkede, og data blev fremlagt.

Men i 2010 Lawrence genbesøgte disse målinger, denne gang med Patrick Peplowski, en anden kernefysiker ved APL. På trods af 50 års udsendelse af robotmissioner til Venus, inklusive 13 atmosfæriske sonder eller landere, megen usikkerhed om nitrogenkoncentrationen i Venus' atmosfære, især mellem 30 og 60 miles over overfladen, forblev.

Det undrede Peplowski og Lawrence, fordi nitrogen er det næststørste molekyle, der flyder i Venus' atmosfære, efter kuldioxid.

"Usikkerheden var ikke nødvendigvis kun i MESSENGER-instrumentet - det kunne være i hele planeten, " sagde Lawrence.

Lawrence kendte til et papir fra 1962, imidlertid, at foreslog neutronspektroskopi kunne hjælpe med at bestemme Venus' atmosfæriske nitrogenkoncentration. Nitrogen er ret god til at opfange løse neutroner, i modsætning til kulstof og ilt, som er nogle af de værste. Så på Venus, antallet af neutroner et instrument detekterer bør afhænge af mængden af ​​atmosfærisk nitrogen.

Nitrogenkoncentration gennem Venus atmosfære. Ny analyse af MESSENGER-data viser en stigning i nitrogenkoncentrationen omkring Venus' øvre skydæk omkring 30 miles (50 kilometer) oppe, ophævelse af en langvarig idé om, at nitrogen fordeles ligeligt overalt. Den røde linje er en trendlinje tilpasset data fra flere missioner, inklusive MESSENGERs data, som blev indsamlet mellem 35 og 65 miles (60 og 100 km) højt. Kredit:Johns Hopkins APL

MESSENGER tilfældigvis indsamlede disse oplysninger.

Parret kørte en computersimulering, der delte planetens 60 mil tykke atmosfære i bånd, hvor de kunne manipulere nitrogenkoncentrationen og realistisk modellere, hvor mange neutroner, der ville strømme ud til rumfartøjet ovenfor.

Da de sammenlignede deres modeller med MESSENGER-dataene, de fandt det bedste match var, når atmosfærisk nitrogen udgjorde 5% af volumen, cirka 1,5 gange det målt lavere i atmosfæren. Og alle neutronerne kom fra et område mellem omkring 35 og 60 miles over overfladen - præcis hvor der havde været den største usikkerhed.

"Det var i høj grad et lykketræf, " sagde Peplowski.

Hvorfor nitrogen stiger i større højder er stadig ukendt. Deres opdagelse rejste mere end et par øjenbryn, Peplowski sagde, men ikke fordi folk blev blæst omkuld.

"Mange videnskabsmænd virkede overraskede over, at dette overhovedet var noget, der var værd at undersøge, " sagde Peplowski. "Forestillingen om, at der er en højere nitrogenkoncentration i den øvre atmosfære end i den nedre, var uden for folks tankerække."

De løb ind i det dødvande før, da de forsøgte at få midler til at gennemføre undersøgelsen. Projektet blev nægtet penge tre gange, fordi det blev betragtet som en blindgyde. De data, de havde brug for for at føle sig sikre på deres resultater og skubbe deres undersøgelse over målstregen, kom heldigvis gennem Jack Wilson, en APL-forsker, der lige tilfældigvis analyserede de samme MESSENGER-data for et ikke-relateret projekt.

Efter at holdet præsenterede foreløbige resultater under en konference i 2016, den russiske føderale rumfartsorganisation citerede deres arbejde i sin Venera-D-mission for at studere Venus' atmosfære og overflade. I øjeblikket, to missionsforslag under overvejelse for NASAs Discovery Program—DAVINCI+ og VERITAS, som begge inkluderer APL-forskere på deres hold - har også til formål at studere Venus' atmosfære mere detaljeret.

Peplowski og Lawrence siger, at dette nye resultat understreger den forsigtighed, forskere har brug for, når de drager konklusioner om atmosfæriske data, især med den stigende interesse for planetariske atmosfærer i andre solsystemer.

"Vi lærer stadig grundlæggende ting om Venus og dens atmosfære, og det er vores nabo, " sagde Peplowski. "At videnskabsmænd kan tale med tillid om atmosfæren af ​​exoplaneter, der er hundreder eller tusinder af lysår væk, er værd at stille spørgsmålstegn ved."

At drage strenge og overbevisende konklusioner kræver en bred vifte af data.

Men at få disse data kræver nogle gange bare lidt held.