Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

En teknik til at finde oceaner på andre verdener

En kunstners illustration af exoplaneten HR8799e. ESO’s GRAVITY-instrument på sit Very Large Telescope Interferometer foretog den første direkte optiske observation af denne planet og dens atmosfære. Kredit:ESO/L. Calçada

Man kan sige, at studiet af ekstrasolare planeter er i en overgangsfase for sent. Til dato, 4, 525 exoplaneter er blevet bekræftet i 3, 357 systemer, med yderligere 7, 761 kandidater afventer bekræftelse. Som resultat, exoplanetstudier har bevæget sig væk fra opdagelsesprocessen og hen imod karakterisering, hvor der udføres opfølgende observationer af exoplaneter for at lære mere om deres atmosfærer og miljøer.

I processen, exoplanetforskere håber at se, om nogen af ​​disse planeter har de nødvendige ingredienser til livet, som vi kender det. For nylig, et par forskere fra Northern Arizona University, med støtte fra NASA Astrobiology Institute's Virtual Planetary Laboratory (VPL), udviklet en teknik til at finde oceaner på exoplaneter. Evnen til at finde vand på andre planeter, en nøgleingrediens i livet på jorden, vil gå langt hen imod at finde udenjordisk liv.

Forskningen blev udført af postdoc-forsker Dominick J. Ryan, en postdoc forsker ved Northern Arizona University (NAU), og Tyler D. Robinson - en assisterende professor i astronomi og planetarisk videnskab ved NAU og NASA Astrobiology Institute. Undersøgelsen, der beskrev deres resultater, med titlen "Detektering af oceaner på exoplaneter med faseafhængig spektral hovedkomponentanalyse, " for nylig optrådt online og overvejes til offentliggørelse af Planetary Science Journal .

Når det kommer til karakterisering af exoplaneter, den mest lovende teknik er Transit Method (alias Transit Photometry). Dette består af overvågning af stjerner for periodiske fald i lysstyrke, som er indikationer på planeter, der passerer foran deres forældrestjerner (i forhold til observatøren). Til tider, astronomer er også i stand til at opnå spektre, når lys passerer gennem den transiterende planets atmosfære, afsløre ting om dens kemiske sammensætning. Men som prof. Robinson fortalte Universe Today via e-mail, denne metode tillader ikke overfladeobservationer:

"For nu, vores bedste teknikker til at karakterisere stenede exoplaneter fortæller os ikke meget om overflademiljøerne for disse verdener (herunder om der er flydende vand til stede). For Hubble (og det snart lancerede JWST), vi bruger transitspektroskopi til at karakterisere atmosfæren på exoplaneter - på udkig efter meget små ændringer i lysstyrken og farven på en værtsstjerne, når en planet krydser sin disk. I denne geometri/opsætning, de meget lange veje, lyset tager gennem atmosfæren (mest analogt med at se Solen ved solnedgang på Jorden) betyder, at den dybe atmosfære (og overflade) er sløret."

Denne kunstners syn viser "Hot Jupiter" 51 Pegasi b (Bellerophon), den første exoplanet omkring en normal stjerne og den første exoplanet, der skal afbildes direkte. Kredit:ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

I den nærmeste fremtid, denne situation forventes at ændre sig betydeligt, takket være næste generations instrumenter som James Webb Space Telescope (JWST), og jordbaserede observatorier som Extremely Large Telescope (ELT). Takket være deres sofistikerede optik, koronografier, og spektrometre, disse teleskoper vil være i stand til direkte at afbilde mindre exoplaneter, der kredser tættere på deres stjerner (hvilket er der, hvor potentielt beboelige klippeplaneter er mere tilbøjelige til at blive fundet).

Denne metode består i at observere lyset, der reflekteres direkte af en exoplanets atmosfære eller overflade, som kan give værdifuld indsigt i klodens klima og overflademiljø. Ud over JWST og ELT, der er talrige foreslåede missioner, der vil have den nødvendige opløsning og følsomhed til at detektere overfladeegenskaber baseret på atmosfærisk sammensætning, identificere vegetation, bevis for fotosyntese, og måske endda skelne tilstedeværelsen af ​​kunstigt lys.

Af hensyn til deres studie, Ryan og Dr. Robinson overvejede, hvordan næste generations instrumenter kunne udføre direkte billeddannelsesundersøgelser af exoplaneter, der ville afsløre tilstedeværelsen af ​​overfladevand. Nøglen til dette, sagde Dr. Robinson, er at lede efter "røde halvmåner":

"Missionskoncepter er i øjeblikket under overvejelse, som ville give disse typer data - HabEx og LUVOIR er de bedste eksempler. På samme måde som sollys, der glimter fra havet, når man ser en solnedgang fra en strand på Jorden, ser ret rødt ud, vi foreslog, at glimtende oceaner på exoplaneter kunne få hele planeten til at se meget rød ud i halvmånefaser.

"Hvis det berømte Pale Blue Dot-billede var blevet taget af Jorden, da det var en smal halvmåne, den ville slet ikke have været blå — den ville have været rød! Så, ved at lede efter tegn på, at en potentielt jordlignende exoplanet bliver meget reflekterende og rød i halvmånefaser, vi kan måske lave en påvisning af et hav på den verden."

TOI 1338 b er en cirkumbinær planet, der kredser om sine to stjerner. Det blev opdaget af TESS. Kredit:NASAs Goddard Space Flight Center/Chris Smith

Da der ikke eksisterer nogen rumfartøjsobservationer af Jorden for de halvmånefaser og bølgelængder, der var nødvendige for at teste denne metode, Ryan og Dr. Robinson stolede på en række simuleringer af Jordens lysstyrke. Disse simuleringer tegnede sig for alle de realistiske effekter forårsaget af refleksion af sollys fra overfladevand - fra havglimt og skyer til atmosfærisk og overfladerefleksion.

"Disse simuleringer viste, at når Jorden ses i mere halvmåne-lignende faser, det bliver virkelig rødt og reflekterende, " sagde Dr. Robinson. "Ved at bruge værktøjer, der efterlignede, hvordan en fjern Jord ville se ud for en HabEx- eller LUVOIR-lignende mission, vi viste, at blot nogle få observationer af en jordlignende verden overtaget et par forskellige faser (spænder over næsten fuld fase til halvmånefaser) ville afsløre en halvmånefase rødfarve, der indikerer oceaner."

Som Dr. Robinson forklarede, denne teknik vil ikke gælde for JWST, men vil være mulig med fremtidige missioner. Disse omfatter det førnævnte Habitable Exoplanet Observatory (HabEx), et rumteleskop designet til direkte billedstudier af jordlignende planeter omkring sollignende stjerner; og den store UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), en stor blænde, multi-bølgelængde observatorium, der vil opnå en bred vifte af videnskabelige mål.

Til sidst, sagde Dr. Robinson, denne undersøgelse giver en "veldefineret vej" for fremtidige direkte billeddannelsesstudier rettet mod karakterisering af exoplaneter. "En del af jagten på udenjordisk liv er at forstå, hvor almindeligt det er, at klippeverdener har beboelige forhold (overfladehave, i det mindste for exoplaneter) – da beboelige verdener også er vores bedste mål for jagt på biosignaturer, " sagde Dr. Robinson. "Så, vi har hjulpet med at løse en brik af puslespillet for, hvordan man kan spotte verdener, hvor vi tror, ​​liv kunne opstå."


Varme artikler