2021'de NASA’nın yeni nesil gözlemevi James Webb Uzay Teleskopu (JWST), uzaya gidecek. Operasyonel hale geldiğinde, bu amiral gemisi görevi diğer uzay teleskoplarının - Hubble, Kepler, ve Spitzer - hariç tutulmuş. Bu, en büyük kozmik gizemlerin bazılarını araştırmanın yanı sıra, potansiyel olarak yaşanabilir dış gezegenleri de arayacak ve atmosferlerini karakterize etmeye çalışacağı anlamına geliyor.
Bu, JWST'yi öncekilerden ayıran şeyin bir parçasıdır. Yüksek hassasiyet ve kızılötesi görüntüleme yetenekleri arasında, daha önce hiç olmadığı gibi dış gezegen atmosferinde veri toplayabilecektir. Bununla birlikte, son zamanlarda NASA destekli bir çalışmanın gösterdiği gibi, yoğun atmosfere sahip gezegenlerin de, en önemli verilerin bazılarını toplama girişimlerini zorlaştırabilecek geniş bulut örtüsü olabilir.
Gökbilimciler yıllardır parlaklıktaki düşüşler için uzak yıldızları izleyerek dış gezegenleri tespit etmek için Transit Fotometri'yi (Transit Metodu olarak da bilinir) kullandılar. Bu yöntemin bazı gezegenlerin atmosferik kompozisyonunun belirlenmesinde de yararlı olduğu kanıtlanmıştır. Bu cisimler yıldızlarının önünden geçerken, ışık atmosferinden geçer, daha sonra spektrumu hangi kimyasal elementlerin olduğunu görmek için analiz edilir.
Şimdiye kadar, bu yöntem güneşlerini büyük mesafelerde yörüngede tutan devasa gezegenleri (gaz devleri ve “Süper Jüpiterler”) gözlemlerken faydalı olmuştur. Bununla birlikte, güneşlerine daha yakın yörüngede bulunan ve yıldızın yaşanabilir bölgesine girecek olan daha küçük, kayalık gezegenleri (yani “Dünya benzeri”) gözlemlemek, uzay teleskoplarının yeteneklerinin ötesinde olmuştur.
Bu nedenle, astronomi topluluğu, JWST gibi yeni nesil teleskopların mevcut olacağı günü dört gözle bekliyor. Bilim adamları, kayalık bir gezegenin atmosferinden geçen ışık spektrumlarını inceleyerek (iletim spektroskopisi olarak bilinen bir yöntem), oksijen gazı, karbondioksit, metan ve yaşamla ilişkili diğer işaretlerin (yani. “).
Yaşam için bir başka kritik unsur (bildiğimiz gibi) sudur, bu nedenle bir gezegenin atmosferindeki su buharının imzaları gelecekteki anketler için birincil hedeftir. Ancak Chicago Üniversitesi Jeofizik Bilimleri Bölümü ile doktora sonrası araştırmacı olan Thaddeus Komacek tarafından yönetilen yeni bir çalışmada, bol yüzey suyu olan herhangi bir gezegenin atmosferinde bol miktarda bulut (yoğunlaşma parçacıkları) olması mümkündür. .
Bu çalışma uğruna Komacek ve meslektaşları, bu bulutların karasal dış gezegenlerin atmosferindeki su buharını tespit etme girişimlerine müdahale edip etmeyeceğini incelediler. Son yıllarda M tipi (kırmızı cüce) yıldızların yaşanabilir bölgeleri içinde keşfedilen kayalık dış gezegenlerin sayısı nedeniyle - Proxima b gibi komşu kırmızı cüceler, gelecekteki anketlerin ana odağı olacak.
Komack'in Space Magazine'e e-posta yoluyla açıkladığı gibi, kırmızı cüce yıldızların yörüngesindeki gelgit kilitli gezegenler, iletim spektroskopisini içeren çalışmalara ve bir dizi nedenden dolayı çok uygundur:
“Kırmızı cüce yıldızların etrafında dönen gezegenler, Güneş benzeri yıldızların etrafında dönenlerden daha elverişli hedeflerdir, çünkü gezegenin boyutunun yıldız boyutuna oranı daha büyüktür. İletimdeki sinyalin boyutu, gezegenin büyüklüğünün yıldızın büyüklüğüne oranının karesi olarak ölçeklenir, bu nedenle sinyalde Dünya'dan daha küçük yıldızlara giden önemli bir artış vardır.
“Kırmızı cüce yıldızların etrafında dönen gezegenlerin gözlemlenmesi için daha elverişli olmasının bir başka nedeni, 'yaşanabilir bölge'nin' ya da gezegenin yüzeyinde sıvı su olmasını beklediğimiz yerlerin yıldıza çok daha yakın olması ... daha yakın yörüngeler, kırmızı cüce yıldızların etrafında dönen yaşanabilir kayalık gezegenler yıldızlarını daha sık geçirecekler, bu da gözlemcilerin tekrarlanan gözlemler yapmasını sağlıyor.“
Bunu göz önünde bulundurarak, Komacek ve ekibi, M tipi yıldızların etrafında gelgit kilitli gezegenlerin sentetik iletim spektrumlarını üretmek için birlikte iki model kullandılar. Birincisi, Exoplanet atmosferlerini incelemek için uyarlanmış olan Dünya iklimini simüle etmek için kullanılan bir Topluluk Toprak Sistemi Modeli (CESM) olan Colorado Üniversitesi'nin Atmosferik ve Uzay Fiziği Laboratuvarı (LASP) Dr. Eric Wolf tarafından geliştirilen ExoCAM idi.
ExoCAM modelini kullanarak, kırmızı cüce yıldızların etrafında dönen kayalık gezegenlerin iklimini simüle ettiler. İkincisi, NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi tarafından JWST'nin simüle edilmiş gezegenlerinden algılayacağı iletim spektrumunu simüle etmek için geliştirilen Gezegensel Spektrum Jeneratörünü kullandılar. Komacek'in açıkladığı gibi:
“Bu ExoCAM simülasyonları sıcaklık, su buharı karıştırma oranı, sıvı ve buzlu su bulutu parçacıklarının üç boyutlu dağılımlarını hesapladı. Kırmızı cüce yıldızların etrafında dönen gezegenlerin Dünya'dan çok daha cloudier olduğunu gördük. Bunun nedeni, tüm günlerinin Dünya'nın tropiklerine benzer bir iklime sahip olması ve böylece su buharının, gezegenin gününün çoğunu kaplayan bulutları yoğunlaştırabileceği ve oluşturabileceği düşük basınçlara kolayca yığılmasıdır ...
“PSG, belirsizliğin yanı sıra dalga boyunun bir fonksiyonu olarak iletimde gezegenin görünen büyüklüğü için sonuçlar verdi. Sinyalin boyutunun dalga boyu ile nasıl değiştiğine bakarak, su buharı özelliklerinin boyutunu belirleyebildik ve bunları belirsizlik seviyesiyle karşılaştırabildik. ”
Bu iki model arasında, ekip bulut örtüsü olan ve olmayan gezegenleri ve JWST'nin neyi tespit edebileceğini simüle edebildi. İlki durumunda, dış gezegen atmosferindeki su buharının neredeyse kesinlikle tespit edilebilir olacağını buldular. Ayrıca, bunun Dünya boyutundaki dış gezegenler için sadece on veya daha az geçişle yapılabileceğini buldular.
Komacek, “[W] bulutların etkilerini dahil ettik, JWST'nin su buharını tespit etmek için gözlemlemek için gereken geçiş sayısı on ila yüz kat arttı” dedi. “JWST'nin belirli bir gezegen için kaç geçişi gözlemleyebileceğine dair doğal bir sınır var, çünkü JWST'nin belirlenmiş bir yıllık görev ömrü 5 yıl var ve iletim gözlemi sadece gezegen bizim ve ev sahibi yıldız arasında geçtiğinde alınabiliyor.”
Ayrıca bulut örtüsünün etkisinin özellikle kırmızı cücelerin etrafındaki daha yavaş dönen gezegenlerle güçlü olduğunu buldular. Temel olarak, yörünge dönemleri yaklaşık 12 günden uzun olan gezegenler, günlerinde daha fazla bulut oluşumu yaşayacaktır. Komacek, “TRAPPIST-1 (bilinen en uygun hedef) gibi bir yıldızın etrafında dönen gezegenler için JWST'nin su buharını tespit etmek için yeterli geçişleri gözlemleyemeyeceğini bulduk” dedi.
Bu sonuçların diğer araştırmacıların kaydettiklerine benzer olduğunu da sözlerine ekledi. Geçen yıl NASA Goddard araştırmacıları tarafından yürütülen bir araştırma, bulut örtüsünün TRAPPIST-1 gezegenlerinin atmosferinde su buharını nasıl algılanamaz hale getireceğini gösterdi. Bu ayın başlarında, NASA Goddard destekli başka bir çalışma, bulutların su buharı genliğini JWST'nin bunları arka plan gürültüsü olarak ortadan kaldıracağı noktaya nasıl düşüreceğini gösterdi.
Ancak her şeyin kötü bir haber olduğunu düşünmeden önce, bu çalışma bu sınırlamaların nasıl aşılabileceğine dair bazı öneriler sunuyor. Örneğin, görev süresi bir faktörse, JWST görevi genişletilebilir, böylece bilim adamlarının veri toplamak için daha fazla zamanı olur. NASA, uzay teleskopunun on yıl boyunca kullanılmasını umuyor, bu nedenle bir görev uzantısı zaten bir olasılık.
Aynı zamanda, tespit için azaltılmış bir sinyal-gürültü eşiği spektrumdan daha fazla sinyalin alınmasına izin verebilir (ancak bu daha yanlış pozitifler anlamına gelecektir). Ek olarak, Komacek ve meslektaşları, bu sonuçların sadece dış gezegenlerdeki bulut güvertesinin altındaki özellikler için geçerli olduğuna dikkat ettiler:
“Su buharı çoğunlukla su bulutu seviyesinin altına sıkıştığından, kırmızı cüce yıldızların etrafında dönen gezegenlerdeki güçlü bulut kapsama alanı, su özelliklerini tespit etmeyi inanılmaz derecede zorlaştırıyor. Önemli olarak, JWST'nin karbon dioksit ve metan gibi önemli atmosferik bileşenlerin varlığını sadece bir düzine geçişte kısıtlayabilmesi bekleniyor. ”
Bir kez daha, bu sonuçlar önceki araştırmalar tarafından desteklenmektedir. Geçen yıl, Washington Üniversitesi'nden yapılan bir araştırma, TRAPPIST-1 gezegenlerinin saptanabilirliğini ve özelliklerini inceledi ve bulutların oksijen ve ozon özelliklerinin saptanabilirliği üzerinde önemli bir etkisi olmayacağını buldu - iki önemli biyo-imza hayatın varlığı.
Gerçekten de, JWST, en azından yoğun bulut örtüsü söz konusu olduğunda, sadece dış gezegen atmosferinde su buharını tespit etmekte zorlanabilir. Diğer biyo-imzalar için, JWST onları koklamada, bulutta veya bulutta hiç sorun yaşamamalıdır. NASA'nın bugüne kadarki en güçlü ve sofistike uzay teleskobu Webb'ten harika şeyler gelmesi bekleniyor. Ve hepsi gelecek yıl başlayacak!
