|
Исследование экзопланет с помощью данных Джеймса Уэбба
|
|
|
|
Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба показывает вселенную с впечатляющей, беспрецедентной четкостью. Сверхострое инфракрасное зрение обсерватории прорезало космическую пыль, чтобы осветить некоторые из самых ранних структур во Вселенной, наряду с ранее скрытыми звездными яслями и вращающимися галактиками, лежащими в сотнях миллионов световых лет от нас. В дополнение к тому, что Уэбб сможет заглянуть дальше во Вселенную, чем когда-либо прежде, он получит наиболее полное представление об объектах в нашей собственной галактике, а именно о некоторых из 5000 планет, обнаруженных в Млечном Пути. Астрономы используют точность анализа света телескопа, чтобы расшифровать атмосферу, окружающую некоторые из этих близлежащих миров. Свойства их атмосфер могут дать ключ к пониманию того, как сформировалась планета и есть ли на ней признаки жизни.
|
|
|
|
Но новое исследование Массачусетского технологического института предполагает, что инструменты, которые астрономы обычно используют для декодирования световых сигналов, могут быть недостаточно хороши для точной интерпретации данных нового телескопа. В частности, модели непрозрачности — инструменты, которые моделируют взаимодействие света с материей в зависимости от свойств материи — могут нуждаться в значительной перенастройке, чтобы соответствовать точности данных Уэбба, говорят исследователи. Если эти модели не доработаны? Исследователи предсказывают, что свойства планетарных атмосфер, такие как их температура, давление и элементный состав, могут отличаться на порядок. «Существует научно значимая разница между содержанием такого соединения, как вода, в количестве 5% и 25%, которое современные модели не могут различить», — говорит соруководитель исследования Жюльен де Вит, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. (ЕАПС).
|
|
|
«В настоящее время модель, которую мы используем для расшифровки спектральной информации, не соответствует точности и качеству данных, полученных с телескопа Джеймса Уэбба», — добавляет аспирант EAPS Праджвал Нираула. «Нам нужно улучшить нашу игру и вместе решить проблему непрозрачности». Де Вит, Нираула и их коллеги опубликовали свое исследование в журнале Nature Astronomy. В число соавторов входят эксперты по спектроскопии Юли Гордон, Роберт Харгривз, Клара Соуза-Сильва и Роман Кочанов из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
|
|
|
|
Непрозрачность — это мера того, насколько легко фотоны проходят через материал. Фотоны определенных длин волн могут проходить прямо через материал, поглощаться или отражаться обратно, в зависимости от того, взаимодействуют ли они с определенными молекулами внутри материала и каким образом. Это взаимодействие также зависит от температуры и давления материала. Модель непрозрачности работает на основе различных предположений о том, как свет взаимодействует с веществом. Астрономы используют модели непрозрачности для получения определенных свойств материала с учетом спектра света, излучаемого материалом. В контексте экзопланет модель непрозрачности может расшифровать тип и содержание химических веществ в атмосфере планеты на основе света от планеты, который захватывает телескоп.
|
|
|
|
Де Вит говорит, что нынешняя современная модель непрозрачности, которую он сравнивает с классическим инструментом языкового перевода, проделала достойную работу по расшифровке спектральных данных, полученных такими инструментами, как космический телескоп Хаббла. «Пока что с этим Розеттским камнем все в порядке, — говорит де Вит. «Но теперь, когда мы переходим на следующий уровень с точностью Уэбба, наш процесс перевода не позволит нам уловить важные тонкости, такие как те, которые определяют разницу между пригодной для жизни планетой или нет».
|
|
|
|
Он и его коллеги отмечают это в своем исследовании, в котором они проверяют наиболее часто используемую модель непрозрачности. Команда искала, какие атмосферные свойства получит модель, если ее настроить, чтобы допустить определенные ограничения в нашем понимании того, как взаимодействуют свет и материя. Исследователи создали восемь таких «возмущенных» моделей. Затем они снабдили каждую модель, включая реальную версию, «синтетическими спектрами» — узорами света, которые были смоделированы группой и аналогичны точности, которую мог бы увидеть телескоп Джеймса Уэбба.
|
|
|
|
Они обнаружили, что, основываясь на одних и тех же световых спектрах, каждая возмущенная модель дает широкомасштабные прогнозы свойств атмосферы планеты. Основываясь на своем анализе, команда приходит к выводу, что если существующие модели непрозрачности применить к световым спектрам, полученным телескопом Уэбба, они достигнут «стены точности». То есть они не будут достаточно чувствительны, чтобы сказать, имеет ли планета температуру атмосферы 300 или 600 градусов по Кельвину, или какой газ занимает 5% или 25% атмосферного слоя.
|
|
|
|
«Эта разница важна для того, чтобы мы могли ограничить механизмы формирования планет и надежно идентифицировать биосигнатуры», — говорит Нираула. Команда также обнаружила, что каждая модель также давала «хорошее соответствие» данным, то есть, даже если возмущенная модель давала химический состав, который, как знали исследователи, был неправильным, она также генерировала спектр света из этого химического состава, который был близок к достаточно, чтобы "соответствовать" исходному спектру. «Мы обнаружили, что есть достаточно параметров, которые нужно настроить, даже с неправильной моделью, чтобы получить хорошее соответствие, а это означает, что вы не будете знать, что ваша модель неверна и что она говорит вам неправильно», — объясняет де Вит.
|
|
|
|
Он и его коллеги выдвигают некоторые идеи о том, как улучшить существующие модели непрозрачности, в том числе о необходимости дополнительных лабораторных измерений и теоретических расчетов для уточнения предположений моделей о том, как взаимодействуют свет и различные молекулы, а также о сотрудничестве между различными дисциплинами, и, в частности, между астрономией и спектроскопией. «Многое можно было бы сделать, если бы мы в совершенстве знали, как взаимодействуют свет и материя», — говорит Нираула. «Мы достаточно хорошо это знаем о земных условиях, но как только мы переходим к другим типам атмосфер, все меняется, и мы рискуем неверно истолковать множество данных с повышением качества».
|
|
|
|
Источник
|
