Teknikker lært af jordens klimavidenskabelige bistand i søgningen efter potentielt beboelige exoplaneter

Et internationalt hold, herunder astrofysikere fra University of Exeter, tager lektioner og teknikker fra jordens klimavidenskab for at bane vejen for robust modellering af atmosfærer af planeter, der kredser om fjerne stjerner, og hjælper med at søge efter potentielt beboelige exoplaneter.

Det er afgørende, at holdet mener, at denne forskning også kan forbedre vores grundlæggende forståelse og forudsigelser om fremtidens klima på Jorden.

Det nyligt opsendte James Webb Space Telescope (JWST) og kommende teleskoper såsom European Extremely Large Telescope (E-ELT), Thirty Meter Telescope (TMT) eller Giant Magellan Telescope (GMT) vil muligvis snart være i stand til at karakterisere atmosfærerne i stenede exoplaneter, der kredser om nærliggende røde dværge (stjerner køligere og mindre end vores egen sol). Uden robuste modeller til at fortolke og vejlede disse observationer vil vi imidlertid ikke være i stand til at frigøre det fulde potentiale af disse observatorier.

En metode er at bruge tredimensionelle generelle cirkulationsmodeller (GCM'er) - svarende til dem, der bruges til at forudsige Jordens klima, til at simulere atmosfæriske træk, når planeterne kredser om deres værtsstjerner. Imidlertid eksisterer der iboende forskelle inden for disse komplekse GCM'er, der fører til kontrasterende klimaforudsigelser - og følgelig vores fortolkning af exoplanetobservationerne.

I de senere år har forskere forfinet GCM'er i et forsøg på at reproducere og forstå den nuværende opvarmningstendens forbundet med menneskeskabte klimaændringer på Jorden. En nøgletilgang er at modellere klima med flere GCM'er og kontrastere dem via Model Intercomparison Projects, eller MIP'er, som har været grundlæggende for vores viden om jordens klima.

Holdet, ledet af tre tidlige karriereforskere – Thomas Fauchez (NASA GSFC, American University, U.S.), Denis Sergeev (University of Exeter, U.K.) og Martin Turbet (LMD, Frankrig) – har brugt denne ekspertise og de seneste modelopgraderinger til at udføre en omfattende sammenligning af flere af verdens førende GCM'er, der anvender dem til studiet af exoplaneter.

Dr. Sergeev, en postdoc-forsker ved University of Exeter sagde:"Multimodelsammenligninger er en af ​​søjlerne i moderne klimavidenskab og en succeshistorie for internationalt samarbejde. De er medvirkende til vores forståelse af tidligere, nuværende og fremtidige klimaprocesser. Ved at bringe disse sammenligninger ind i exoplanetforskning kan vi i sidste ende forbedre vores evne til at fortolke teleskopobservationer."

Det centrale nye projekt, kaldet THAI (TRAPPIST-1 Habitable Atmosphere Intercomparison) fokuserer på en bekræftet, jord-størrelse, exoplanet mærket TRAPPIST-1e. Det er den fjerde planet fra dens værtsstjerne, en rød dværg TRAPPIST-1, der ligger cirka 40 lysår fra Jorden. Det er afgørende, da planetens kredsløb ligger inden for den beboelige zone af TRAPPIST-1, kan den have et tempereret klima, der er egnet til, at flydende vand kan eksistere på dens overflade.

Projekterne kombinerer fire meget anvendte modeller - ExoCAM (baseret på modellen fra US National Center for Atmospheric Research), LMD-G (udviklet af Laboratoire de Meterologie Dynamique i Paris), ROCKE-3D (baseret på NASA GISS-modellen ) og UM (udviklet på U.K. Met Office og tilpasset til exoplaneter af forskere ved University of Exeter) - for at overveje fire forskellige scenarier for atmosfæren i TRAPPIST-1e.

Disse omfattede to scenarier for overfladen (fuldstændig tør og et dækket af et globalt hav, der giver fugt til atmosfæren) og to scenarier for den atmosfæriske sammensætning (nitrogenrig atmosfære med niveauer af CO₂ , eller en Mars-lignende CO₂ -domineret atmosfære).

En af de største kilder til forskelle mellem GCM er skyer:deres optiske egenskaber, højde, tykkelse, dækning har vist sig at være væsentligt forskellige mellem modellerne på grund af forskelle i skyparameteriseringer. "At repræsentere småskala fugtig fysik i GCM'er er notorisk vanskeligt. Det er en af ​​de vigtigste veje til atmosfærisk forskning for både exoplaneten og jordens klimavidenskab," sagde Dr. Sergeev.

Dr. Fauchez, som leder THAI-projektet, sagde:"THAI har udnyttet værdifuld ekspertise fra den lignende indsats i det jordvidenskabelige samfund, der studerer menneskeskabt global opvarmning. Det har dog også været i stand til at overføre viden tilbage gennem forbedringer i den underliggende model rammer udviklet som en del af exoplanet-applikationerne."

Resultaterne af disse analyser, som inkluderer at vise for første gang, hvordan brugen af ​​en GCM kan påvirke fremtidig datafortolkning og fremtidig planlægning af observationskampagner, præsenteres i tre artikler med fuld åben adgang. De fulde resultater er offentliggjort den 15. september 2022 i et specialnummer af The Planetary Science Journal (PSJ).

Holdet mener dog, at THAI ikke kun vil bane vejen for robust modellering af potentielt beboelige fjerne verdener, men også har forbundet vores bestræbelser på at finde liv hinsides Jorden med studier af vores eget skiftende klima.

Dr. Sergeev tilføjede, "Vores arbejde med TRAPPIST-1e, med en meget anderledes orbital konfiguration til Jorden, afslørede adskillige forbedringer til for eksempel behandlingen af ​​stjerneopvarmningen af ​​atmosfæren, nu implementeret i UM og anvendt på Jorden."

THAI baner vejen for et større modelsammenligningsprojekt, Climates Using Interactive Suites of Intercomparisons Nested for Exoplanet Studies (CUISINES), som vil omfatte en bredere mangfoldighed af exoplanetmål og modeller for systematisk at sammenligne og derfor validere dem. + Udforsk yderligere

Søger himlen efter byggestenene til livet i universet