Wygląda na to, że aby wykorzystać potencjał obserwacyjny Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do badania atmosfer egzoplanet, konieczna będzie współpraca naukowców w laboratoriach na Ziemi oraz wiele obliczeń numerycznych, aby z wystarczającą dokładnością poznać, jak światło oddziałuje z różnymi molekułami, które można spotkać w atmosferach egzoplanet. W końcu od tych subtelności zależy to, czy będziemy wiedzieli, że konkretna egzoplaneta nadaje się lub nie do zamieszkania!
Astronomowie starają się okiełznać Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do rozszyfrowywania atmosfer niedalekich światów. Właściwości tych planetarnych atmosfer mogą pomóc wyjaśnić w jaki sposób powstały planety i czy skrywa oznaki życia.
Jednak w publikacji, która ukazała się w „Nature Astronomy” (wersja darmowa ArXiv:2209.07464) wskazuje się, że na ogół narzędzia astronomiczne używane do wyznaczania danych planetarnych mogą nie być wystarczająco dobre, aby precyzyjnie interpretować obserwacje z nowego teleskopu. W szczególności modele nieprzeźroczystości mogą wymagać znacznego udoskonalenia, aby dopasować się do dokładności danych z Teleskopu Webba. Modele nieprzeźroczystości są to narzędzia, które modelują jak promieniowanie oddziałuje z materią w zależności od właściwości materii.
Uwzględnienie odpowiedniego oszacowania dotyczącego ograniczeń modelu nieprzeźroczystości i podjęcie wysiłków, aby je wyeliminować jest niezbędne w epoce Kosmicznego Teleskopu James Webba – powiedział współautor publikacji Iouli Gordon (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian).
A jeżeli te modele nie są udoskonalone? Badacze szacują, że właściwości planetarnych atmosfer takie jak ich temperatura, ciśnienie i skład chemiczny mogą się różnić o rząd wielkości.
Jest to naukowo istotna różnica, gdy związek chemiczny taki jak woda występuje w 5% czy też 25%, czego obecne modele nie są w stanie rozróżnić – powiedział Julien de Wit (MIT).
Równanie do góry
Nieprzeźroczystość jest miarą tego jak łatwo fotony przenikają przez materię. Fotony o danej długości fali mogą przejść bezpośrednio przez materię, mogą zostać pochłonięte lub odbite z powrotem – w zależności od tego jak oddziałują z niektórymi molekułami w materii. Takie oddziaływanie zależy o temperatury i ciśnienia materii.
W astrofizyce model nieprzeźroczystości funkcjonuje w oparciu o różne założenia dotyczące oddziaływania światła z materią. Astronomowie wykorzystują modele nieprzeźroczystości, aby określić pewne właściwości materii w oparciu o widmo promieniowania emitowanego przez nią. W kontekście egzoplanet model nieprzeźroczystości pozwala rozpoznać rodzaj i obfitość substancji chemicznych w atmosferze egzoplanety na podstawie promieniowania egzoplanety, które zarejestrował teleskop.
Zespół astronomów pracujących nad tym tematem uważa, że według aktualnego stanu wiedzy na temat modelu nieprzeźroczystości, do tej pory wykonano przyzwoitą pracę nad rozszyfrowaniem widm uzyskiwanych przy pomocy instrumentów takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Można to porównać do Kamienia z Rosetty, który jest klasycznym narzędziem do przekładu z nieznanego (… wymarłego) języka.
Do tej pory ten „Kamień z Rosetty” był wystarczający – powiedział de Wit. Jednak obecnie, ponieważ zmierzamy na kolejny poziom z dokładnością Teleskopu Webba, nasz proces ‘przekładu’ może uniemożliwić wychwycenie ważnych subtelności takich jak te, które powodują różnicę pomiędzy egzoplanetą nadającą się lub nie do zamieszkania.
Zaburzanie światła
Zespół astronomów wyraził powyższą opinię w swoich badaniach, w których został wykorzystany do testów najczęściej używany model nieprzeźroczystości. Naukowcy przyjrzeli się temu, jakie właściwości atmosfery można określić w modelu, gdyby wprowadzić w nim drobne zmiany, przy założeniu pewnych ograniczeń naszego rozumienia na oddziaływanie światła z materią. W tym celu badacze stworzyli osiem „zaburzonych” modeli. Następnie każdy model był zasilony „widmami syntetycznymi”, czyli wzorcami światła symulowanych z podobną dokładnością, którą Teleskop Webba mógł zaobserwować.
Okazało się, że to samo widmo w każdym z zaburzonych modeli tworzy szeroki zakres przewidywanych właściwości atmosfery egzoplanety. Dlatego zespół astronomów doszedł do wniosku, że jeżeli zastosuje się istniejące modele nieprzeźroczystości do widm uzyskanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, to nastąpi zderzenie z „murem dokładności”. Tzn. nie są one wystarczająco czułe, aby stwierdzić, czy w atmosferze egzoplanety panuje temperatura 300K lub 600K, czy pewien gaz stanowi 5% lub 25% składu atmosfery.
Zespół badaczy również zauważył, że każdy model również daje „dobre dopasowanie” do danych. Oznacza to, że chociaż zaburzony model daje skład chemiczny atmosfery egzoplanety, o którym badacze wiedzą, że jest niepoprawny – to również ten model daje widmo przy tym składzie chemicznym, który jest dość bliskie lub „pasuje” do oryginalnego widma.
Zauważyliśmy, że jest dostatecznie dużo parametrów, w których można wprowadzać drobne zmiany, nawet w błędnym modelu i nadal uzyskuje się dobre dopasowanie – co oznacza, iż nie wiesz, że twój model jest błędny i co jest błędne – wyjaśnił de Wit.
De Wit ze współpracownikami wskazał pewne idee, które powinny udoskonalić istniejące modele nieprzeźroczystości – w tym potrzebę badań laboratoryjnych i obliczeń teoretycznych, aby udoskonalić założenia modeli oddziaływania światła z różnymi molekułami. Potrzebna jest również współpraca multidyscyplinarna – w szczególności pomiędzy astronomią i spektroskopią.
Aby z dużą wiarygodnością interpretować widma ze zróżnicowanych atmosfer egzoplanet, potrzebna jest duża kampania dotycząca nowych dokładnych pomiarów i obliczeń odpowiednich parametrów spektroskopowych molekuł – powiedział Gordon. Te parametry będą wymagały natychmiastowego wprowadzenia do referencyjnych baz danych spektroskopowych i w konsekwencji do modeli wykorzystywanych przez astronomów.
Współautor publikacji Robert Hargreaves (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian) dodał – W miarę jak wchodzimy w nową epokę badań egzoplanet, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i przyszłe misje dostarczą bezprecedensowej jakości obserwacje atmosfer egzoplanet. Dlatego jest konieczne, abyśmy posiadali stosowne dane spektroskopowe i modele, aby dokładnie określać podstawowe charakterystyki tych nowych światów.
Więcej informacji:
- Publikacja naukowa: The impending opacity challenge in exoplanet atmospheric characterization
- Darmowa wersja (arXiv): The Impending Opacity Challenge in Exoplanet Atmospheric Characterization
- Astronomers Warn of Risk of Misinterpreting JWST Planetary Signals
Źródło: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji: obraz konceptualny przedstawia Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który rejestruje promieniowanie z właśnie odkrytej egzoplanety (po lewej). Jednak ograniczenia na modele nieprzeźroczystości mogą sprawić, że astronomowie uzyskają niejednoznaczne przewidywania dotyczące egzoplanet, które reprezentują 3 prawdopodobne egzoplanety (po prawej). Źródło: Jose-Luis Olivares, MIT. James Webb icon courtesy of NASA