Undersøgelse:Astronomer risikerer at fejlfortolke planetariske signaler i James Webb-data

NASAs James Webb-rumteleskop afslører universet med spektakulær, hidtil uset klarhed. Observatoriets ultraskarpe infrarøde syn har skåret igennem det kosmiske støv for at oplyse nogle af de tidligste strukturer i universet sammen med tidligere skjulte stjerneskoler og roterende galakser, der ligger hundreder af millioner af lysår væk.

Ud over at se længere ind i universet end nogensinde før, vil Webb fange det mest omfattende billede af objekter i vores egen galakse – nemlig nogle af de 5.000 planeter, der er blevet opdaget i Mælkevejen. Astronomer udnytter teleskopets lysparsing-præcision til at afkode atmosfærerne omkring nogle af disse nærliggende verdener. Egenskaberne ved deres atmosfærer kunne give fingerpeg om, hvordan en planet blev dannet, og om den rummer tegn på liv.

Men en ny MIT-undersøgelse tyder på, at de værktøjer, astronomer typisk bruger til at afkode lysbaserede signaler, muligvis ikke er gode nok til nøjagtigt at fortolke det nye teleskops data. Specifikt kan opacitetsmodeller - de værktøjer, der modellerer, hvordan lys interagerer med stof som en funktion af materiens egenskaber - have behov for betydelig omjustering for at matche præcisionen af ​​Webbs data, siger forskerne.

Hvis disse modeller ikke er raffinerede? Forskerne forudsiger, at egenskaber ved planetariske atmosfærer, såsom deres temperatur, tryk og grundstofsammensætning, kan være forringet med en størrelsesorden.

"Der er en videnskabeligt signifikant forskel på, om en forbindelse som vand er til stede ved 5% versus 25%, hvilket nuværende modeller ikke kan skelne," siger studieleder Julien de Wit, assisterende professor i MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS).

"I øjeblikket er den model, vi bruger til at dekryptere spektral information, ikke på niveau med præcisionen og kvaliteten af ​​data, vi har fra James Webb-teleskopet," tilføjer EAPS-kandidatstuderende Prajwal Niraula. "Vi er nødt til at øge vores spil og sammen tackle uigennemsigtighedsproblemet."

De Wit, Niraula og deres kolleger har offentliggjort deres undersøgelse i Nature Astronomy . Medforfattere inkluderer spektroskopieksperter Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva og Roman Kochanov fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Niveau op

Opacitet er et mål for, hvor let fotoner passerer gennem et materiale. Fotoner af bestemte bølgelængder kan passere lige gennem et materiale, absorberes eller reflekteres tilbage, afhængigt af om og hvordan de interagerer med bestemte molekyler i et materiale. Denne interaktion afhænger også af et materiales temperatur og tryk.

En opacitetsmodel arbejder ud fra forskellige antagelser om, hvordan lys interagerer med stof. Astronomer bruger opacitetsmodeller til at udlede visse egenskaber af et materiale, givet lysspektret, som materialet udsender. I forbindelse med exoplaneter kan en opacitetsmodel afkode typen og mængden af ​​kemikalier i en planets atmosfære, baseret på lyset fra planeten, som et teleskop fanger.

De Wit siger, at den nuværende topmoderne opacitetsmodel, som han sammenligner med et klassisk sprogoversættelsesværktøj, har gjort et anstændigt stykke arbejde med at afkode spektrale data taget af instrumenter som dem på Hubble-rumteleskopet.

"Indtil videre har denne Rosetta Stone klaret sig," siger de Wit. "Men nu hvor vi går til næste niveau med Webbs præcision, vil vores oversættelsesproces forhindre os i at fange vigtige finesser, såsom dem, der gør forskellen mellem en planet er beboelig eller ej."

Let, forstyrret

Det fremhæver han og hans kolleger i deres undersøgelse, hvor de testede den mest brugte opacitetsmodel. Holdet så for at se, hvilke atmosfæriske egenskaber modellen ville opnå, hvis den blev justeret til at antage visse begrænsninger i vores forståelse af, hvordan lys og stof interagerer. Forskerne skabte otte sådanne "forstyrrede" modeller. De fodrede derefter hver model, inklusive den rigtige version, "syntetiske spektre" - lysmønstre, der blev simuleret af gruppen og lignede den præcision, som James Webb-teleskopet ville se.

De fandt ud af, at baseret på de samme lysspektre producerede hver forstyrret model vidtrækkende forudsigelser for egenskaberne af en planets atmosfære. Baseret på deres analyse konkluderer holdet, at hvis eksisterende opacitetsmodeller anvendes på lysspektre taget af Webb-teleskopet, vil de ramme en "nøjagtighedsvæg". Det vil sige, at de ikke vil være følsomme nok til at fortælle, om en planet har en atmosfærisk temperatur på 300 Kelvin eller 600 Kelvin, eller om en bestemt gas fylder 5 % eller 25 % af et atmosfærisk lag.

"Denne forskel har betydning for, at vi kan begrænse planetariske dannelsesmekanismer og pålideligt identificere biosignaturer," siger Niraula.

Holdet fandt også ud af, at hver model også producerede en "god pasform" med dataene, hvilket betyder, at selvom en forstyrret model producerede en kemisk sammensætning, som forskerne vidste var forkert, genererede den også et lysspektrum fra den kemiske sammensætning, der var tæt på nok til eller "passe" til det originale spektrum.

"Vi fandt ud af, at der er nok parametre til at justere, selv med en forkert model, for stadig at få en god pasform, hvilket betyder, at du ikke ville vide, at din model er forkert, og hvad den fortæller dig er forkert," forklarer de Wit.

Han og hans kolleger rejser nogle ideer til, hvordan man kan forbedre eksisterende opacitetsmodeller, herunder behovet for flere laboratoriemålinger og teoretiske beregninger for at forfine modellernes antagelser om, hvordan lys og forskellige molekyler interagerer, samt samarbejder på tværs af discipliner, og i særdeleshed, mellem astronomi og spektroskopi.

"Der er så meget, der kunne gøres, hvis vi vidste perfekt, hvordan lys og stof interagerer," siger Niraula. "Vi ved det godt nok omkring Jordens forhold, men så snart vi flytter til forskellige typer atmosfærer, ændrer tingene sig, og det er en masse data med stigende kvalitet, som vi risikerer at fejlfortolke." + Udforsk yderligere

Søger himlen efter byggestenene til livet i universet

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.