Уточнення поточних моделей планетних атмосфер має важливе значення для виявлення точних деталей властивостей екзопланет — і ознак життя — у даних, отриманих від нового телескопа, говорять науковці.

Астрономи використовують найновіший космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST), щоб з’ясувати склад атмосфер екзопланет. Властивості цих планетних атмосфер можуть дати підказки про те, як утворилася планета і чи є на ній ознаки життя.

Але нове дослідження, результати якого оприлюднено в Nature Astronomy, виконане в Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики і Массачусетському технологічному інституті, вказує на те, що інструменти, які зазвичай використовують астрономи для декодування сигналів від атмосфер планет, можуть бути недостатніми для точної інтерпретації даних нового телескопа. Зокрема, моделі непрозорості — інструменти, що моделюють взаємодію світла з речовиною як функцію властивостей речовини — ймовірно потребують значного вдосконалення, щоб відповідати точності даних «Вебба», кажуть дослідники.

«Належне врахування обмежень моделі непрозорості та докладення зусиль для їх усунення є важливими в епоху JWST», — сказав Іулі Ґордон (Iouli Gordon), астрофізик і співавтор дослідження з Центру астрофізики.

Якщо ці моделі не достатньо точні, то що? В такому разі, як передбачають дослідники, значення таких параметрів планетарних атмосфер, як температура, тиск і елементний склад, можуть змінюватися на порядок.

«Існує значуща з наукової точки зору різниця між вмістом такої сполуки, як вода, у кількості 5 відсотків проти 25 відсотків, яку сучасні моделі не можуть відрізнити», — зауважив співавтор дослідження Жульєн де Віт (Julien de Wit), доцент кафедри наук про Землю, атмосферу та планети Массачусетського технологічного інституту.

Підвищення рівня

Непрозорість — це показник того, як легко фотони проходять крізь речовину. Фотони з певною довжиною хвилі можуть проходити прямо крізь речовину, поглинатися або відбиватися назад залежно від того, чи взаємодіють вони з певними молекулами всередині речовини і як відбувається така взаємодія. Вона (взаємодія) також залежить від температури і тиску речовини.

Модель непрозорості науковці будують на основі різних припущень про те, як світло взаємодіє з речовиною. Астрономи використовують моделі непрозорості, щоб отримати певні властивості речовини, зважаючи на спектр світла, яке вона випромінює. У випадку дослідження планети, модель непрозорості може дати змогу виявити тип і кількість хімічних речовин в атмосфері планети на основі світла від неї, яке реєструє телескоп.

Наукова група стверджує, що поточна найсучасніша модель непрозорості, яку вони порівнюють із класичним інструментом мовного перекладу, Rosetta Stone, виконала гідну роботу з декодування спектральних даних, отриманих за допомогою приймачів, зокрема, Космічного телескопа імені Габбла.

«Поки що цей “Розеттський камінь” працює добре», — сказав де Віт. «Але тепер, коли ми завдяки “Веббу” переходимо на наступний рівень точності, наш процес “перекладу” не дозволить нам вловити важливі тонкощі, наприклад ті, що визначають різницю між тим, чи планета придатна для життя, чи ні».

Невеликі збурення

Наукова група зробила це у своєму дослідженні, в якому дослідники перевірили модель непрозорості, яку найчастіше використовують астрономи. Науковці з’ясовували, які властивості атмосфери відображатиме модель, якщо її налаштувати з урахуванням певних обмежень в нашому розумінні взаємодії світла та речовини. Дослідники створили вісім таких «збурених» моделей. Потім вони додали в кожну модель, зокрема й у правильну версією, «синтетичні спектри» — зразки світла, змодельовані групою з такою точністю, яку отримає JWST.

Виявилося, що на основі одних і тих самих спектрів світла кожна збурена модель дає розлогі передбачення щодо властивостей атмосфери планети. Зважаючи на результати аналізу, науковці дійшли висновку: якщо наявні моделі непрозорості астрономи застосують до спектрів, отриманих за допомогою космічного телескопа Вебба, то вони зіткнуться зі «стіною точності» («accuracy wall»). Тобто спектри не будуть достатньо чутливими, щоб визначити, чи має атмосфера планети температуру 300 або 600 Кельвінів, чи вміст певного газ становить 5 або 25 відсотків складу атмосфери.

Наукова група також виявила, що кожна модель також давала «хорошу відповідність» даним, тобто, хоча «збурена» модель не відображала реальний хімічний склад, який, як знали дослідники, був неправильним, вона також генерувала спектр цього хімічного складу, який був достатньо близьким до справжнього спектру.

«Ми виявили, що є достатньо параметрів, які можна налаштувати навіть із неправильною моделлю, щоб все одно отримати хорошу підгонку, тобто ви не знатимете, що ваша модель неправильна і те, що вона вам “повідомляє”, є неправильним», — пояснив де Віт.

Він і його колеги висувають деякі ідеї щодо того, як покращити наявні моделі непрозорості планетних атмосфер. Для цього потрібна більша кількість лабораторних вимірювань і теоретичних розрахунків для уточнення припущень моделей про те, як взаємодіють світло та різні молекули, а також співпраця між дисциплінами, зокрема, між астрономією і спектроскопією.

«Щоб надійно інтерпретувати спектри різноманітних екзопланетних атмосфер, нам потрібні масштабні роботи з нових точних вимірювань і розрахунків відповідних молекулярних спектроскопічних параметрів», — сказав Ґордон. «Ці параметри треба буде негайно впровадити в довідкові спектроскопічні бази даних і, відповідно, моделі, які використовують астрономи».

Роберт Гарґрівз (Robert Hargreaves), співавтор дослідження та науковець з Центру астрофізики, додав: «Ми вступаємо в нову еру дослідження екзопланет, коли JWST і майбутні місії забезпечать безпрецедентно високоякісні спостереження за їхніми атмосферами. Тому нам треба мати відповідні спектроскопічні дані та моделі, щоб точно визначити фундаментальні характеристики цих нових світів».

За інф. з сайту https://pweb.cfa.harvard.edu