Im Jahr 2021 wurde das NASA-Observatorium der nächsten Generation, das James Webb Weltraumteleskop (JWST) wird in den Weltraum gebracht. Sobald diese Flaggschiff-Mission einsatzbereit ist, wird sie dort eingesetzt, wo andere Weltraumteleskope - wie z Hubble, Kepler, und Spitzer - aufgehört. Dies bedeutet, dass nicht nur einige der größten kosmischen Geheimnisse untersucht werden, sondern auch nach potenziell bewohnbaren Exoplaneten gesucht und versucht wird, ihre Atmosphäre zu charakterisieren.
Dies ist ein Teil dessen, was den JWST von seinen Vorgängern unterscheidet. Aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und Infrarot-Bildgebungsfunktionen wird es in der Lage sein, Daten über Exoplanetenatmosphären wie nie zuvor zu sammeln. Wie eine von der NASA unterstützte Studie kürzlich gezeigt hat, können Planeten mit dichter Atmosphäre auch eine ausgedehnte Wolkendecke aufweisen, was den Versuch erschweren könnte, einige der wichtigsten Daten von allen zu sammeln.
Seit Jahren verwenden Astronomen die Transitphotometrie (auch bekannt als Transitmethode), um Exoplaneten zu erkennen, indem sie entfernte Sterne auf Helligkeitseinbrüche überwachen. Diese Methode hat sich auch bei der Bestimmung der atmosphärischen Zusammensetzung einiger Planeten als nützlich erwiesen. Während diese Körper vor ihren Sternen vorbeiziehen, tritt Licht durch ihre Atmosphäre, deren Spektren dann analysiert werden, um festzustellen, welche chemischen Elemente dort vorhanden sind.
Bisher war diese Methode nützlich, um massive Planeten (Gasriesen und „Super Jupiter“) zu beobachten, die ihre Sonnen in großen Entfernungen umkreisen. Die Beobachtung kleinerer felsiger Planeten (d. H. "Erdähnlich"), die näher an ihren Sonnen kreisen - was sie in die bewohnbare Zone des Sterns bringen würde - war jedoch jenseits der Möglichkeiten von Weltraumteleskopen.
Aus diesem Grund hat sich die astronomische Gemeinschaft auf den Tag gefreut, an dem Teleskope der nächsten Generation wie das JWST verfügbar sein werden. Durch die Untersuchung der Spektren von Licht, das durch die Atmosphäre eines felsigen Planeten fällt (eine Methode, die als Transmissionsspektroskopie bekannt ist), können Wissenschaftler nach verräterischen Indikatoren für Sauerstoffgas, Kohlendioxid, Methan und andere mit dem Leben verbundene Zeichen (auch bekannt als „Biosignaturen“) suchen ”).
Ein weiteres wichtiges Element für das Leben (wie wir es kennen) ist Wasser. Daher sind Signaturen von Wasserdampf in der Atmosphäre eines Planeten ein Hauptziel für zukünftige Untersuchungen. In einer neuen Studie unter der Leitung von Thaddeus Komacek, einem Postdoktoranden am Department of Geophysical Sciences der University of Chicago, ist es jedoch möglich, dass jeder Planet mit reichlich Oberflächenwasser auch reichlich Wolken (Partikel aus kondensierendem Eis) in seiner Atmosphäre hat .
Für diese Studie untersuchten Komacek und seine Kollegen, ob diese Wolken Versuche, Wasserdampf in der Atmosphäre terrestrischer Exoplaneten zu erkennen, beeinträchtigen würden. Aufgrund der Anzahl von felsigen Exoplaneten, die in den letzten Jahren in den bewohnbaren Zonen von Sternen vom Typ M (Roter Zwerg) entdeckt wurden - wie Proxima b - werden benachbarte Rote Zwerge ein Hauptaugenmerk zukünftiger Untersuchungen sein.
Wie Komack dem Space Magazine per E-Mail erklärte, eignen sich gezeitengesperrte Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, gut für Studien mit Transmissionsspektroskopie - und das aus einer Reihe von Gründen:
„Durchlaufende Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, sind günstigere Ziele als solche, die sonnenähnliche Sterne umkreisen, da das Verhältnis der Größe des Planeten zur Größe des Sterns größer ist. Die Größe des Signals in der Übertragung skaliert als Quadrat des Verhältnisses der Größe des Planeten zur Größe des Sterns, sodass das Signal für kleinere Sterne als die Erde erheblich zunimmt.
„Ein weiterer Grund, warum Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, günstiger zu beobachten sind, ist, dass die‚ bewohnbare Zone 'oder wo wir erwarten, dass sich flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Planeten befindet, viel näher am Stern liegt… Aus diesen Gründen In näheren Umlaufbahnen durchqueren bewohnbare felsige Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, ihren Stern viel häufiger, wodurch Beobachter viele wiederholte Beobachtungen machen können.“
Vor diesem Hintergrund verwendeten Komacek und sein Team zwei Modelle in Verbindung, um synthetische Transmissionsspektren von gezeitengesperrten Planeten um Sterne vom Typ M zu erzeugen. Das erste war ExoCAM, das von Dr. Eric Wolf vom Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik (LASP) der Colorado University entwickelt wurde, einem Community Earth System Model (CESM) zur Simulation des Erdklimas, das zur Untersuchung von Exoplanetenatmosphären angepasst wurde.
Mit dem ExoCAM-Modell simulierten sie das Klima von felsigen Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen. Zweitens verwendeten sie den Planetary Spectrum Generator, der vom Goddard Space Flight Center der NASA entwickelt wurde, um das Übertragungsspektrum zu simulieren, das die JWST von ihrem simulierten Planeten erfassen würde. Wie Komacek es erklärte:
„Diese ExoCAM-Simulationen berechneten die dreidimensionalen Verteilungen von Temperatur, Wasserdampf-Mischungsverhältnis sowie Flüssigkeits- und Eiswasserwolkenpartikeln. Wir fanden heraus, dass Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, viel wolkiger sind als die Erde. Dies liegt daran, dass ihre gesamte Tagesseite ein Klima hat, das den Tropen der Erde ähnlich ist, und daher Wasserdampf leicht auf niedrigen Druck gebracht wird, wo er kondensieren und Wolken bilden kann, die einen Großteil der Tagesseite des Planeten bedecken…
„PSG lieferte Ergebnisse für die scheinbare Größe des Planeten bei der Transmission als Funktion der Wellenlänge sowie für die Unsicherheit. Indem wir uns anschauten, wie sich die Größe des Signals mit der Wellenlänge änderte, konnten wir die Größe der Wasserdampfmerkmale bestimmen und sie mit dem Unsicherheitsniveau vergleichen. “
Zwischen diesen beiden Modellen war das Team in der Lage, Planeten mit und ohne Wolkendecke zu simulieren und was der JWST als Ergebnis erkennen könnte. Im ersteren Fall stellten sie fest, dass Wasserdampf in der Atmosphäre des Exoplaneten mit ziemlicher Sicherheit nachweisbar wäre. Sie fanden auch heraus, dass dies für Exoplaneten in Erdgröße in nur zehn Transiten oder weniger möglich ist.
"[W] Als wir die Auswirkungen von Wolken einbezogen haben, hat sich die Anzahl der Transite, die JWST zur Erkennung von Wasserdampf beobachten musste, um den Faktor zehn bis hundert erhöht", sagte Komacek. "Es gibt eine natürliche Grenze für die Anzahl der Transite, die JWST für einen bestimmten Planeten beobachten kann, da JWST eine festgelegte nominelle Missionslebensdauer von 5 Jahren hat und die Transmissionsbeobachtung nur durchgeführt werden kann, wenn der Planet zwischen uns und seinem Wirtsstern vorbeizieht."
Sie fanden auch heraus, dass der Einfluss der Wolkendecke bei langsamer rotierenden Planeten um rote Zwerge besonders stark war. Grundsätzlich würden Planeten mit Umlaufzeiten von mehr als 12 Tagen an ihren Tagen mehr Wolkenbildung erfahren. "Wir fanden heraus, dass JWST für Planeten, die einen Stern wie TRAPPIST-1 (das günstigste bekannte Ziel) umkreisen, nicht genügend Transite beobachten kann, um Wasserdampf zu erkennen", sagte Komacek.
Diese Ergebnisse ähneln denen anderer Forscher, fügte er hinzu. Letztes Jahr zeigte eine von Forschern der NASA Goddard durchgeführte Studie, wie die Wolkendecke Wasserdampf in der Atmosphäre der TRAPPIST-1-Planeten nicht nachweisbar machen würde. Anfang dieses Monats zeigte eine andere von Goddard unterstützte Studie der NASA, wie Wolken die Amplitude von Wasserdampf so weit senken, dass die JWST sie als Hintergrundgeräusche eliminieren würde.
Bevor wir jedoch davon ausgehen, dass dies alles schlechte Nachrichten sind, enthält diese Studie einige Vorschläge, wie diese Einschränkungen überwunden werden können. Wenn beispielsweise die Missionszeit eine Rolle spielt, kann die JWST-Mission verlängert werden, damit Wissenschaftler mehr Zeit haben, Daten zu sammeln. Die NASA hofft bereits, das Weltraumteleskop zehn Jahre lang in Betrieb zu haben, sodass eine Verlängerung der Mission bereits möglich ist.
Gleichzeitig könnte eine verringerte Signal-Rausch-Schwelle für die Erkennung ermöglichen, dass mehr Signale aus den Spektren ausgewählt werden (obwohl dies auch mehr falsch positive Ergebnisse bedeuten würde). Darüber hinaus haben Komacek und seine Kollegen sicher darauf hingewiesen, dass diese Ergebnisse nur für Funktionen gelten, die sich auf Exoplaneten unterhalb des Wolkendecks befinden:
„Da Wasserdampf größtenteils unterhalb des Wasserwolkenniveaus eingeschlossen ist, ist es aufgrund der starken Wolkendecke auf Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, unglaublich schwierig, Wasserspiele zu erkennen. Es wird erwartet, dass JWST das Vorhandensein wichtiger atmosphärischer Bestandteile wie Kohlendioxid und Methan in nur etwa einem Dutzend Transiten noch einschränken kann. “
Diese Ergebnisse werden erneut durch frühere Untersuchungen gestützt. Im vergangenen Jahr untersuchte eine Studie der University of Washington die Nachweisbarkeit und Eigenschaften der TRAPPIST-1-Planeten und stellte fest, dass Wolken wahrscheinlich keinen signifikanten Einfluss auf die Nachweisbarkeit von Sauerstoff- und Ozonmerkmalen haben - zwei wichtige Biosignaturen, die mit dem assoziiert sind Gegenwart des Lebens.
Tatsächlich könnte der JWST nur Schwierigkeiten haben, Wasserdampf in Exoplanetenatmosphären zu erkennen, zumindest wenn es um eine dichte Wolkendecke geht. Bei anderen Biosignaturen sollte der JWST keine Probleme haben, sie auszuspüren, Wolken oder keine Wolken. Von Webb, dem bislang leistungsstärksten und fortschrittlichsten Weltraumteleskop der NASA, werden großartige Dinge erwartet. Und alles wird nächstes Jahr beginnen!
