Pada tahun 2021, balai cerap generasi akan datang, NASA Teleskop Angkasa James Webb (JWST), akan menuju ke angkasa. Setelah beroperasi, misi utama ini akan mengambil tempat seperti teleskop angkasa lain Hubble, Kepler, dan Spitzer - dibiarkan. Ini bermaksud bahawa selain menyelidiki beberapa misteri kosmik terbesar, ia juga akan mencari eksoplanet yang berpotensi dapat dihuni dan berusaha untuk mencirikan atmosfer mereka.
Ini adalah sebahagian daripada apa yang membezakan JWST daripada pendahulunya. Di antara kepekaan tinggi dan kemampuan pengimejan inframerah, ia dapat mengumpulkan data mengenai atmosfera exoplanet seperti sebelumnya. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh kajian yang disokong oleh NASA baru-baru ini, planet-planet yang memiliki atmosfer yang padat mungkin juga memiliki penutup awan yang luas, yang dapat menyulitkan usaha mengumpulkan beberapa data yang paling penting.
Selama bertahun-tahun, ahli astronomi telah menggunakan Transit Photometry (aka Kaedah Transit) untuk mengesan eksoplanet dengan memantau bintang yang jauh untuk penurunan cahaya. Kaedah ini juga terbukti berguna dalam menentukan komposisi atmosfera beberapa planet. Semasa badan-badan ini melintas di depan bintang-bintang mereka, cahaya melewati atmosfer mereka, spektrumnya kemudian dianalisis untuk melihat unsur kimia apa yang ada di sana.
Sejauh ini, kaedah ini berguna ketika memerhatikan planet besar (gergasi gas dan "Super Jupiters") yang mengorbit matahari mereka pada jarak yang jauh. Walau bagaimanapun, mengamati planet berbatu yang lebih kecil (seperti "Bumi") yang mengorbit lebih dekat ke matahari - yang akan meletakkannya di dalam zon bintang yang dapat dihuni - telah melebihi kemampuan teleskop angkasa.
Atas sebab ini, komuniti astronomi telah menantikan hari apabila teleskop generasi akan datang seperti JWST akan tersedia. Dengan memeriksa spektrum cahaya yang melewati atmosfer planet berbatu (kaedah yang dikenali sebagai spektroskopi transmisi) para saintis akan dapat mencari petunjuk yang jelas mengenai gas oksigen, karbon dioksida, metana, dan tanda-tanda lain yang berkaitan dengan kehidupan (aka. "Biosignature ").
Unsur penting lain untuk kehidupan (seperti yang kita ketahui) adalah air, jadi tanda-tanda wap air di atmosfer planet adalah sasaran utama untuk tinjauan masa depan. Tetapi dalam kajian baru yang diketuai oleh Thaddeus Komacek, rakan pasca doktoral dengan Jabatan Ilmu Geofizik di University of Chicago, ada kemungkinan planet mana pun dengan air permukaan yang berlimpah juga akan memiliki awan (zarah-zarah es yang padat) di atmosferanya .
Demi kajian ini, Komacek dan rakan-rakannya memeriksa apakah awan ini akan mengganggu usaha mengesan wap air di atmosfer eksoplanet darat. Oleh kerana bilangan eksoplanet berbatu yang telah ditemui di zon yang dapat dihuni bintang jenis M (kerdil merah) dalam beberapa tahun kebelakangan ini - seperti Proxima b - kerdil merah jiran akan menjadi tumpuan utama tinjauan masa depan.
Seperti yang dijelaskan Komack kepada Space Magazine melalui e-mel, planet terkunci pasang surut yang mengorbit bintang kerdil merah sangat sesuai untuk kajian yang melibatkan spektroskopi transmisi - dan untuk beberapa sebab:
“Planet transit yang mengorbit bintang kerdil merah adalah sasaran yang lebih baik daripada bintang yang mengorbit bintang seperti Matahari kerana nisbah ukuran planet dengan ukuran bintang lebih besar. Ukuran sinyal dalam skala transmisi sebagai kuadrat dari nisbah ukuran planet dengan ukuran bintang, jadi ada peningkatan yang signifikan dalam isyarat menuju bintang yang lebih kecil daripada Bumi.
"Sebab lain bahawa planet yang mengorbit bintang kerdil merah lebih senang diperhatikan adalah kerana 'zon yang dapat dihuni', atau di mana kita menjangkakan ada air cair di permukaan planet ini, lebih dekat dengan bintang ... Kerana ini orbit yang lebih dekat, planet berbatu yang dapat dihuni yang mengorbit bintang kerdil merah akan lebih kerap mengangkut bintang mereka, yang membolehkan pemerhati mengambil banyak pemerhatian berulang.“
Dengan ini, Komacek dan pasukannya menggunakan dua model bersama untuk menghasilkan spektrum transmisi sintetik planet terkunci di sekitar bintang jenis M. Yang pertama adalah ExoCAM yang dikembangkan oleh Dr. Eric Wolf dari Laboratorium Universiti Colorado untuk Atmosfera dan Fizik Angkasa (LASP), Model Sistem Bumi Komuniti (CESM) yang digunakan untuk mensimulasikan iklim Bumi, yang telah disesuaikan untuk mengkaji atmosfer eksoplanet.
Dengan menggunakan model ExoCAM, mereka mensimulasikan iklim planet berbatu yang mengorbit bintang kerdil merah. Kedua, mereka menggunakan Planetary Spectrum Generator yang dikembangkan oleh Goddard Space Flight Center NASA untuk mensimulasikan spektrum penghantaran yang akan dikesan oleh JWST dari planet simulasi mereka. Seperti yang dijelaskan oleh Komacek:
“Simulasi ExoCAM ini menghitung taburan suhu tiga dimensi, nisbah pencampuran wap air, dan zarah awan air cair dan ais. Kami mendapati bahawa planet yang mengorbit bintang kerdil merah jauh lebih mendung daripada Bumi. Ini kerana sepanjang hari mereka mempunyai iklim yang serupa dengan kawasan tropika di Bumi, dan oleh itu wap air mudah terangkat ke tekanan rendah di mana ia dapat mengembun dan membentuk awan yang menutupi sebahagian besar hari di planet ini…
"PSG memberikan hasil untuk ukuran planet yang jelas dalam transmisi sebagai fungsi panjang gelombang, bersama dengan ketidakpastian. Dengan melihat bagaimana ukuran isyarat berubah dengan panjang gelombang, kami dapat menentukan ukuran ciri wap air dan membandingkannya dengan tahap ketidakpastian. "
Di antara dua model ini, pasukan dapat mensimulasikan planet dengan dan tanpa penutup awan, dan apa yang dapat dikesan oleh JWST sebagai hasilnya. Bagi yang pertama, mereka mendapati bahawa wap air di atmosfer exoplanet hampir pasti dapat dikesan. Mereka juga mendapati bahawa ini dapat dilakukan untuk eksoplanet berukuran Bumi hanya dalam sepuluh transit atau kurang.
"[W] ketika kita memasukkan kesan awan, jumlah transit yang perlu diperhatikan oleh JWST untuk mengesan wap air meningkat dengan faktor sepuluh hingga seratus," kata Komacek. "Terdapat batasan semula jadi berapa banyak transit yang dapat diamati oleh JWST untuk planet tertentu kerana JWST memiliki jangka waktu misi nominal yang ditetapkan selama 5 tahun dan pemerhatian transmisi hanya dapat dilakukan ketika planet ini melewati antara kita dan bintang tuan rumahnya."
Mereka juga mendapati bahawa kesan penutup awan sangat kuat dengan planet berputar lebih perlahan di sekitar kerdil merah. Pada dasarnya, planet-planet yang mempunyai jangka masa orbit lebih lama daripada sekitar 12 hari akan mengalami lebih banyak pembentukan awan pada hujung hari mereka. "Kami mendapati bahawa untuk planet yang mengorbit bintang seperti TRAPPIST-1 (sasaran paling disukai yang diketahui), JWST tidak dapat memerhatikan transit yang cukup untuk mengesan wap air," kata Komacek.
Hasil ini serupa dengan apa yang diperhatikan oleh penyelidik lain, tambahnya. Tahun lalu, satu kajian yang diketuai oleh penyelidik NASA Goddard menunjukkan bagaimana penutup awan akan menjadikan wap air tidak dapat dikesan di atmosfer planet TRAPPIST-1. Awal bulan ini, satu lagi kajian yang disokong oleh Goddard NASA menunjukkan bagaimana awan akan menurunkan amplitud wap air sehingga JWST akan menghilangkannya sebagai bunyi latar.
Tetapi sebelum kita berfikir bahawa itu semua berita buruk, kajian ini menunjukkan beberapa cadangan bagaimana had ini dapat diatasi. Sebagai contoh, jika masa misi adalah faktor, misi JWST dapat diperpanjang sehingga para saintis akan mempunyai lebih banyak waktu untuk mengumpulkan data. Sudah, NASA berharap agar teleskop ruang ini dapat beroperasi selama sepuluh tahun, jadi kemungkinan perluasan misi adalah kemungkinan.
Pada masa yang sama, ambang isyarat-ke-kebisingan yang lebih rendah untuk pengesanan dapat memungkinkan lebih banyak isyarat dipilih dari spektrum (walaupun itu akan bererti positif positif juga). Sebagai tambahan, Komacek dan rakan-rakannya pasti menunjukkan bahawa hasil ini hanya berlaku untuk ciri-ciri yang berada di bawah dek awan di eksoplanet:
"Kerana wap air kebanyakan terperangkap di bawah paras awan air, liputan awan yang kuat di planet yang mengorbit bintang kerdil merah menjadikannya sangat mencabar untuk mengesan ciri air. Yang penting, dijangkakan JWST masih dapat mengekang kehadiran konstituen atmosfera utama seperti karbon dioksida dan metana hanya dalam selusin transit atau lebih. "
Sekali lagi, hasil ini disokong oleh penyelidikan sebelumnya. Tahun lalu, satu kajian dari University of Washington meneliti kebolehkesanan dan ciri-ciri planet TRAPPIST-1 dan mendapati bahawa awan tidak mungkin mempunyai kesan yang signifikan terhadap kebolehkesanan ciri oksigen dan ozon - dua biosignature utama yang berkaitan dengan kehadiran kehidupan.
Oleh itu, JWST mungkin hanya mengalami kesukaran untuk mengesan wap air di atmosfera eksoplanet, sekurang-kurangnya di mana penutup awan padat. Untuk biosignature yang lain, JWST seharusnya tidak mempunyai masalah untuk menghidu mereka, awan atau tidak ada awan. Perkara-perkara hebat dijangka datang dari Webb, teleskop angkasa paling berkuasa dan canggih NASA hingga kini. Dan semuanya akan bermula tahun depan!
