Năm 2021, đài thiên văn thế hệ tiếp theo của NASA, Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), sẽ đưa vào không gian. Sau khi hoạt động, sứ mệnh hàng đầu này sẽ chọn nơi các kính viễn vọng không gian khác - như Hubble, Keplervà Spitzer - rời khỏi. Điều này có nghĩa là ngoài việc điều tra một số bí ẩn vũ trụ vĩ đại nhất, nó cũng sẽ tìm kiếm các ngoại hành tinh có thể ở được và cố gắng mô tả khí quyển của chúng.
Đây là một phần của những gì làm cho JWST khác biệt so với những người tiền nhiệm của nó. Giữa độ nhạy cao và khả năng chụp ảnh hồng ngoại, nó sẽ có thể thu thập dữ liệu trên bầu khí quyển ngoài hành tinh hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, như một nghiên cứu do NASA hỗ trợ gần đây cho thấy, các hành tinh có bầu khí quyển dày đặc cũng có thể có mây che phủ rộng, điều này có thể làm phức tạp các nỗ lực thu thập một số dữ liệu quan trọng nhất.
Trong nhiều năm, các nhà thiên văn học đã sử dụng Phương pháp trắc quang chuyển tuyến (hay còn gọi là Phương pháp chuyển tuyến) để phát hiện các ngoại hành tinh bằng cách theo dõi các ngôi sao ở xa để tìm độ sáng. Phương pháp này cũng đã được chứng minh là hữu ích trong việc xác định thành phần khí quyển của một số hành tinh. Khi các cơ thể này đi qua phía trước các ngôi sao của chúng, ánh sáng xuyên qua bầu khí quyển của chúng, quang phổ sau đó được phân tích để xem các nguyên tố hóa học nào ở đó.
Cho đến nay, phương pháp này rất hữu ích khi quan sát các hành tinh khổng lồ (người khổng lồ khí và siêu Super Jupwrith) quay quanh mặt trời của chúng ở khoảng cách rất xa. Tuy nhiên, việc quan sát các hành tinh nhỏ hơn, bằng đá (tức là Hồi giống như Trái đất), quay gần mặt trời hơn - sẽ đặt chúng trong vùng có thể ở được sao Star - đã vượt quá khả năng của kính viễn vọng không gian.
Vì lý do này, cộng đồng thiên văn học đã mong chờ ngày mà các kính viễn vọng thế hệ tiếp theo như JWST sẽ xuất hiện. Bằng cách kiểm tra quang phổ ánh sáng truyền qua bầu khí quyển của hành tinh đá (một phương pháp được gọi là quang phổ truyền), các nhà khoa học sẽ có thể tìm kiếm các chỉ số thông thường về khí oxy, carbon dioxide, metan và các dấu hiệu khác liên quan đến sự sống (hay còn gọi là sinh học. NÓI).
Một yếu tố quan trọng khác đối với sự sống (như chúng ta biết) là nước, do đó, chữ ký của hơi nước trong bầu khí quyển hành tinh là một mục tiêu chính cho các cuộc khảo sát trong tương lai. Nhưng trong một nghiên cứu mới do Thaddeus Komacek, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Khoa Khoa học Địa vật lý tại Đại học Chicago, có thể bất kỳ hành tinh nào có nước mặt dồi dào cũng sẽ có những đám mây dồi dào (các hạt băng ngưng tụ) trong bầu khí quyển của nó .
Vì lợi ích của nghiên cứu này, Komacek và các đồng nghiệp đã kiểm tra xem liệu những đám mây này có cản trở nỗ lực phát hiện hơi nước trong khí quyển của các ngoại hành tinh trên mặt đất hay không. Do số lượng các ngoại hành tinh đá đã được phát hiện trong các khu vực có thể ở của các ngôi sao loại M (sao lùn đỏ) trong những năm gần đây - như Proxima b - các sao lùn đỏ lân cận sẽ là trọng tâm chính của các cuộc khảo sát trong tương lai.
Như Komack đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email, các hành tinh bị khóa chặt có quỹ đạo sao lùn đỏ rất phù hợp với các nghiên cứu liên quan đến quang phổ truyền - và vì một số lý do:
Các hành tinh chuyển tiếp quay quanh các ngôi sao lùn đỏ là mục tiêu thuận lợi hơn so với những ngôi sao quay quanh Mặt trời vì tỷ lệ kích thước của hành tinh so với kích thước của ngôi sao lớn hơn. Kích thước của tín hiệu theo tỷ lệ truyền là bình phương tỷ lệ kích thước của hành tinh với kích thước của ngôi sao, do đó, có một sự gia tăng đáng kể trong tín hiệu đi tới các ngôi sao nhỏ hơn Trái đất.
Một lý do khác khiến các hành tinh quay quanh các ngôi sao lùn đỏ thuận lợi hơn để quan sát là vì "vùng có thể ở được", hoặc nơi chúng ta mong đợi có nước lỏng trên bề mặt hành tinh, gần với ngôi sao hơn vì những điều này quỹ đạo gần hơn, các hành tinh đá có thể ở được quay quanh các ngôi sao lùn đỏ sẽ vận chuyển ngôi sao của họ thường xuyên hơn, điều này cho phép các nhà quan sát thực hiện nhiều quan sát lặp đi lặp lại.“
Với ý nghĩ này, Komacek và nhóm của ông đã sử dụng hai mô hình kết hợp để tạo ra phổ truyền tổng hợp của các hành tinh bị khóa chặt quanh các ngôi sao loại M. Đầu tiên là ExoCAM được phát triển bởi Tiến sĩ Eric Wolf thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Khí quyển và Không gian (LASP) của Đại học Colorado, Mô hình Hệ thống Trái đất Cộng đồng (CESM) được sử dụng để mô phỏng khí hậu Trái đất, được điều chỉnh để nghiên cứu khí quyển ngoài hành tinh.
Sử dụng mô hình ExoCAM, họ đã mô phỏng khí hậu của các hành tinh đá quay quanh các ngôi sao lùn đỏ. Thứ hai, họ đã sử dụng Máy phát quang phổ hành tinh do Trung tâm bay không gian vũ trụ NASA Goddard phát triển để mô phỏng phổ truyền mà JWST sẽ phát hiện từ hành tinh mô phỏng của họ. Như Komacek đã giải thích nó:
Những mô phỏng ExoCAM này đã tính toán sự phân bố ba chiều của nhiệt độ, tỷ lệ pha trộn hơi nước và các hạt mây lỏng và nước đá. Chúng tôi thấy rằng các hành tinh quay quanh các ngôi sao lùn đỏ có nhiều mây hơn Trái đất. Điều này là do toàn bộ thời gian ban ngày của chúng có khí hậu tương tự như vùng nhiệt đới của Trái đất, và do đó hơi nước dễ dàng bị áp lực xuống áp suất thấp, nơi nó có thể ngưng tụ và tạo thành những đám mây che phủ phần lớn thời gian của hành tinh.
Phần mềm PSG đã cho kết quả về kích thước rõ ràng của hành tinh khi truyền dưới dạng hàm của bước sóng, cùng với độ không đảm bảo. Bằng cách xem kích thước của tín hiệu thay đổi theo bước sóng như thế nào, chúng tôi có thể xác định kích thước của các tính năng hơi nước và so sánh chúng với mức độ không chắc chắn.
Giữa hai mô hình này, nhóm nghiên cứu có thể mô phỏng các hành tinh có và không có mây che phủ, và kết quả là JWST có thể phát hiện ra điều gì. Trong trường hợp trước đây, họ phát hiện ra rằng hơi nước trong bầu khí quyển exoplanet có thể phát hiện được. Họ cũng nhận thấy rằng điều này có thể được thực hiện đối với các ngoại hành tinh có kích thước Trái đất chỉ trong mười lần chuyển tiếp hoặc ít hơn.
Kom [W] hen, chúng tôi đã bao gồm các hiệu ứng của các đám mây, số lượng quá cảnh JWST cần quan sát để phát hiện hơi nước tăng lên gấp 10 đến một trăm, Komacek nói. Có một giới hạn tự nhiên về số lượng quá cảnh JWST có thể quan sát được đối với một hành tinh nhất định vì JWST có thời gian thực hiện nhiệm vụ danh nghĩa là 5 năm và quan sát truyền dẫn chỉ có thể được thực hiện khi hành tinh đi qua giữa chúng ta và ngôi sao chủ của nó.
Họ cũng phát hiện ra rằng tác động của mây che phủ đặc biệt mạnh mẽ với các hành tinh quay chậm xung quanh các sao lùn đỏ. Về cơ bản, các hành tinh có chu kỳ quỹ đạo dài hơn khoảng 12 ngày sẽ trải qua quá trình hình thành đám mây nhiều hơn vào ban ngày. Komacek cho biết, đối với các hành tinh quay quanh một ngôi sao như TRAPPIST-1 (mục tiêu thuận lợi nhất được biết đến), JWST sẽ không thể quan sát đủ các quá cảnh để phát hiện hơi nước.
Những kết quả này tương tự như những gì các nhà nghiên cứu khác đã lưu ý, ông nói thêm. Năm ngoái, một nghiên cứu do các nhà nghiên cứu tại NASA Goddard dẫn đầu đã chỉ ra cách che phủ của đám mây sẽ khiến hơi nước không thể phát hiện được trong bầu khí quyển của các hành tinh TRAPPIST-1. Đầu tháng này, một nghiên cứu khác do NASA Goddard hỗ trợ đã chỉ ra cách các đám mây sẽ hạ thấp biên độ của hơi nước đến mức JWST sẽ loại bỏ chúng dưới dạng nhiễu nền.
Nhưng trước khi chúng ta nghĩ rằng nó có tất cả các tin xấu, nghiên cứu này đưa ra một số gợi ý về cách khắc phục những hạn chế này. Chẳng hạn, nếu thời gian nhiệm vụ là một yếu tố, nhiệm vụ JWST có thể được kéo dài để các nhà khoa học sẽ có nhiều thời gian hơn để thu thập dữ liệu. NASA đã hy vọng sẽ có kính viễn vọng không gian hoạt động trong mười năm, vì vậy việc mở rộng nhiệm vụ đã là một khả năng.
Đồng thời, ngưỡng phát ra tín hiệu giảm nhiễu để phát hiện có thể cho phép thu được nhiều tín hiệu hơn khỏi quang phổ (mặc dù điều đó cũng có nghĩa là có nhiều dương tính giả hơn). Ngoài ra, Komacek và các đồng nghiệp của ông đã chắc chắn chỉ ra rằng những kết quả này chỉ áp dụng cho các tính năng nằm dưới tầng trên đám mây trên các ngoại hành tinh:
Vì hơi nước chủ yếu bị giữ lại dưới mực nước mây, độ che phủ của đám mây mạnh trên các hành tinh quay quanh các ngôi sao lùn đỏ khiến việc phát hiện các tính năng nước trở nên vô cùng khó khăn. Điều quan trọng, dự kiến JWST vẫn có thể hạn chế sự hiện diện của các thành phần khí quyển quan trọng như carbon dioxide và metan chỉ trong một chục lần chuyển hoặc hơn thế.
Một lần nữa, những kết quả này được hỗ trợ bởi nghiên cứu trước đó. Năm ngoái, một nghiên cứu từ Đại học Washington đã kiểm tra khả năng phát hiện và đặc điểm của các hành tinh TRAPPIST-1 và phát hiện ra rằng các đám mây không có tác động đáng kể đến khả năng phát hiện các tính năng oxy và ozone - hai dạng sinh học chính có liên quan đến sự hiện diện của cuộc sống.
Vì vậy, thực sự, JWST có thể chỉ gặp khó khăn trong việc phát hiện hơi nước trong bầu khí quyển ngoài hành tinh, ít nhất là ở nơi có mây che phủ dày đặc. Đối với các sinh trắc học khác, JWST không gặp khó khăn gì trong việc đánh hơi chúng, mây hoặc không có mây. Những điều tuyệt vời dự kiến sẽ đến từ Webb, kính viễn vọng không gian mạnh mẽ và tinh vi nhất của NASA cho đến nay. Và tất cả sẽ bắt đầu vào năm tới!
