In 2021, NASA's observatorium van de volgende generatie, de James Webb Space Telescope (JWST), gaat de ruimte in. Eenmaal operationeel, zal deze vlaggenschipmissie verder gaan waar andere ruimtetelescopen - zoals Hubble, Kepler, en Spitzer - gestopt. Dit betekent dat het, naast het onderzoeken van enkele van de grootste kosmische mysteries, ook zal zoeken naar potentieel bewoonbare exoplaneten en zal proberen hun atmosfeer te karakteriseren.
Dit maakt deel uit van wat de JWST onderscheidt van zijn voorgangers. Tussen zijn hoge gevoeligheid en infraroodbeeldmogelijkheden zal het als nooit tevoren gegevens over exoplaneetatmosferen kunnen verzamelen. Zoals een door NASA ondersteund onderzoek onlangs heeft aangetoond, kunnen planeten met een dichte atmosfeer mogelijk ook een uitgebreide bewolking hebben, wat pogingen om enkele van de belangrijkste gegevens van allemaal te verzamelen, zou kunnen bemoeilijken.
Astronomen gebruiken al jaren Transit-fotometrie (ook bekend als de Transit-methode) om exoplaneten te detecteren door verre sterren te controleren op dalingen in helderheid. Deze methode is ook nuttig gebleken bij het bepalen van de atmosferische samenstelling van sommige planeten. Terwijl deze lichamen voor hun sterren passeren, gaat licht door hun atmosfeer, waarvan de spectra vervolgens worden geanalyseerd om te zien welke chemische elementen er zijn.
Tot dusver is deze methode nuttig geweest bij het observeren van enorme planeten (gasreuzen en "Super Jupiters") die op grote afstanden om hun zon cirkelen. Het observeren van kleinere, rotsachtige planeten (d.w.z. 'aarde-achtig') die dichter bij hun zonnen cirkelen - waardoor ze zich in de bewoonbare zone van de ster zouden bevinden - was echter buiten het bereik van ruimtetelescopen.
Om deze reden verheugt de astronomische gemeenschap zich op de dag dat telescopen van de volgende generatie, zoals de JWST, beschikbaar zouden zijn. Door de spectra te onderzoeken van licht dat door de atmosfeer van een rotsachtige planeet gaat (een methode die bekend staat als transmissiespectroscopie), kunnen wetenschappers op zoek gaan naar de veelbetekenende indicatoren van zuurstofgas, koolstofdioxide, methaan en andere tekenen die verband houden met leven (ook bekend als 'biosignaturen'). ').
Een ander cruciaal element voor het leven (zoals we het kennen) is water, dus handtekeningen van waterdamp in de atmosfeer van een planeet zijn een belangrijk doelwit voor toekomstige onderzoeken. Maar in een nieuwe studie onder leiding van Thaddeus Komacek, een postdoctorale fellow bij de afdeling Geofysische Wetenschappen van de Universiteit van Chicago, is het mogelijk dat elke planeet met overvloedig oppervlaktewater ook overvloedige wolken (deeltjes condenserend ijs) in zijn atmosfeer zal hebben .
Omwille van deze studie onderzochten Komacek en zijn collega's of deze wolken de pogingen om waterdamp in de atmosfeer van terrestrische exoplaneten te detecteren zouden verstoren. Vanwege het aantal rotsachtige exoplaneten dat de afgelopen jaren is ontdekt in de bewoonbare zones van M-type (rode dwerg) sterren - zoals Proxima b - zullen naburige rode dwergen een belangrijk aandachtspunt zijn in toekomstige onderzoeken.
Zoals Komack via e-mail aan Space Magazine uitlegde, zijn getijdengebonden planeten die in een baan om rode dwergsterren draaien, zeer geschikt voor studies met transmissiespectroscopie - en om een aantal redenen:
“Doorgaande planeten die in een baan rond rode dwergsterren draaien, zijn gunstiger doelen dan die in een baan rond zonachtige sterren, omdat de verhouding tussen de grootte van de planeet en de grootte van de ster groter is. De grootte van het signaal in de transmissie schaalt als het kwadraat van de verhouding tussen de grootte van de planeet en de grootte van de ster, dus er is een aanzienlijke boost in het signaal dat naar kleinere sterren gaat dan de aarde.
“Een andere reden waarom planeten die rond rode dwergsterren draaien, gunstiger zijn om te observeren, is omdat de 'bewoonbare zone', of waar we verwachten dat er vloeibaar water op het oppervlak van de planeet zal zijn, veel dichter bij de ster staat ... Vanwege deze dichterbij gelegen banen zullen bewoonbare rotsachtige planeten die om rode dwergsterren draaien, hun ster veel vaker passeren, waardoor waarnemers veel herhaalde waarnemingen kunnen doen.“
Met dit in gedachten gebruikten Komacek en zijn team twee modellen in combinatie om synthetische transmissiespectra te genereren van netjes vergrendelde planeten rond M-type sterren. De eerste was ExoCAM, ontwikkeld door Dr. Eric Wolf van het Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) van de Universiteit van Colorado, een Community Earth System Model (CESM) dat wordt gebruikt om het klimaat op aarde te simuleren, dat is aangepast om exoplaneetatmosferen te bestuderen.
Met behulp van het ExoCAM-model simuleerden ze het klimaat van rotsachtige planeten in een baan om rode dwergsterren. Ten tweede gebruikten ze de Planetary Spectrum Generator, ontwikkeld door NASA's Goddard Space Flight Center, om het transmissiespectrum te simuleren dat de JWST zou detecteren vanaf hun gesimuleerde planeet. Zoals Komacek het uitlegde:
“Deze ExoCAM-simulaties berekenden de driedimensionale verdelingen van temperatuur, mengverhouding van waterdamp en wolkendeeltjes van vloeistof en ijswater. We ontdekten dat planeten die in een baan om rode dwergsterren draaien veel veel troebeler zijn dan de aarde. Dit komt omdat hun hele dagzijde een klimaat heeft dat lijkt op de tropen van de aarde, en dus wordt waterdamp gemakkelijk verheven tot lage druk, waar het kan condenseren en wolken kan vormen die een groot deel van de dagzijde van de planeet bedekken ...
“PSG leverde resultaten op voor de schijnbare grootte van de planeet in transmissie als functie van golflengte, samen met de onzekerheid. Door te kijken hoe de grootte van het signaal veranderde met de golflengte, konden we de grootte van waterdampfuncties bepalen en deze vergelijken met het onzekerheidsniveau. ”
Tussen deze twee modellen kon het team planeten simuleren met en zonder bewolking, en wat de JWST daardoor zou kunnen detecteren. In het eerste geval ontdekten ze dat waterdamp in de atmosfeer van de exoplaneet vrijwel zeker detecteerbaar zou zijn. Ze ontdekten ook dat dit in slechts tien transits of minder kon worden gedaan voor exoplaneten ter grootte van de aarde.
"Toen we de effecten van wolken meenamen, nam het aantal transits dat JWST moest observeren om waterdamp te detecteren toe met een factor tien tot honderd", zei Komacek. "Er is een natuurlijke limiet aan het aantal transits dat JWST voor een bepaalde planeet kan waarnemen, omdat JWST een vastgestelde nominale levensduur van 5 jaar heeft en de transmissie-observatie alleen kan worden gedaan als de planeet tussen ons en zijn gastster passeert."
Ze ontdekten ook dat de impact van bewolking bijzonder sterk was bij langzamer draaiende planeten rond rode dwergen. Kortom, planeten met een omloopperiode langer dan ongeveer 12 dagen zouden op hun dagen meer wolkenvorming ervaren. "We ontdekten dat JWST voor planeten die rond een ster als TRAPPIST-1 (het meest gunstige doelwit dat bekend is) niet voldoende doorgangen zou kunnen waarnemen om waterdamp te detecteren," zei Komacek.
Deze resultaten zijn vergelijkbaar met wat andere onderzoekers hebben opgemerkt, voegde hij eraan toe. Vorig jaar toonde een onderzoek onder leiding van onderzoekers van NASA Goddard aan hoe bewolking waterdamp ondetecteerbaar zou maken in de atmosfeer van de TRAPPIST-1-planeten. Eerder deze maand toonde een andere door NASA Goddard ondersteunde studie aan hoe wolken de amplitude van waterdamp verlagen tot het punt dat de JWST ze als achtergrondgeluid zou elimineren.
Maar voordat we gaan denken dat het allemaal slecht nieuws is, geeft deze studie enkele suggesties hoe deze beperkingen kunnen worden overwonnen. Als missietijd bijvoorbeeld een factor is, kan de JWST-missie worden verlengd, zodat wetenschappers meer tijd hebben om gegevens te verzamelen. NASA hoopt alvast de ruimtetelescoop tien jaar in gebruik te hebben, dus een missie-uitbreiding behoort nu al tot de mogelijkheden.
Tegelijkertijd zou een verlaagde signaal-ruisdrempel voor detectie het mogelijk kunnen maken dat meer signalen uit de spectra worden geplukt (hoewel dat ook meer valse positieven zou betekenen). Bovendien wezen Komacek en zijn collega's er zeker op dat deze resultaten alleen van toepassing zijn op functies die zich onder het wolkendek bevinden op exoplaneten:
“Omdat waterdamp meestal onder het waterwolkniveau vastzit, maakt de sterke bewolking op planeten die om rode dwergsterren draaien het ongelooflijk moeilijk om waterpartijen te detecteren. Belangrijk is dat de verwachting is dat JWST nog steeds in staat zal zijn om de aanwezigheid van belangrijke atmosferische bestanddelen zoals koolstofdioxide en methaan te beperken in slechts een tiental transits. "
Deze resultaten worden nogmaals ondersteund door eerder onderzoek. Vorig jaar onderzocht een studie van de Universiteit van Washington de detecteerbaarheid en kenmerken van de TRAPPIST-1-planeten en ontdekte dat wolken waarschijnlijk geen significante invloed hebben op de detecteerbaarheid van zuurstof- en ozonelementen - twee belangrijke biosignaturen die verband houden met de aanwezigheid van leven.
Dus echt, de JWST heeft misschien alleen moeite met het detecteren van waterdamp in exoplaneetatmosferen, althans waar het dichte bewolking betreft. Voor andere biosignaturen zou de JWST er geen moeite mee moeten hebben om ze eruit te snuiven, wolken of geen wolken. Er worden geweldige dingen verwacht van Webb, NASA's krachtigste en meest geavanceerde ruimtetelescoop tot nu toe. En volgend jaar begint het allemaal!
