Телескопи розкривають приховані таємниці атмосфер екзопланет

Високотехнологічні телескопи шукають хімічні речовини, необхідні для життя на Землі. Нове дослідження показує, що наступне покоління передових телескопів може загострити полювання на потенційне позаземне життя, уважно досліджуючи атмосфери сусідніх екзопланет.

У новій статті, нещодавно опублікованій в The Astronomical Journal, розповідається про те, як команда астрономів з Університету штату Огайо перевірила здатність майбутніх телескопів виявляти хімічні сліди кисню, вуглекислого газу, метану та води на 10 скелястих екзопланетах. Ці елементи є біосигнатурами, також знайденими в атмосфері Землі, які можуть надати ключові наукові докази існування життя.

Потенційні біосигнатури на екзопланетах

Дослідження показало, що для пари цих найближчих світів, Проксими Центавра b і GJ 887 b, ці телескопи дуже вправно виявляють наявність потенційних біосигнатур. З цих двох знахідок показують, що лише для Проксими Центавра b машини змогли б виявити вуглекислий газ, якби він був присутній. Хоча не було знайдено жодної екзопланети, яка б точно збігалася з першими умовами життя на Землі, ця робота показує, що якщо дослідити більш детально, такі унікальні Суперземлі – планети, масивніші за Землю, але менші за Нептун – можуть стати підходящою ціллю для майбутніх дослідницьких місій.

Методи візуалізації та тестування інструментів

Для подальшого пошуку планет, придатних для життя, Хуіхао Чжан, провідний автор дослідження та старший спеціаліст з астрономії в штаті Огайо, та його колеги також намагалися визначити ефективність спеціалізованих інструментів для обробки зображень, таких як космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) та інші надзвичайно Великі телескопи (ELT), такі як Європейський надзвичайно великий телескоп, Тридцятиметровий телескоп і Гігантський Магеллановий телескоп, безпосередньо знімають зображення екзопланет.

«Не кожна планета підходить для прямої візуалізації, але саме тому моделювання дає нам приблизне уявлення про те, що могли б дати ELT, і обіцянки, які вони повинні виконувати, коли їх побудують», — сказав Чжан.

Прямий метод візуалізації екзопланет передбачає використання коронографа або зоряного відтінку для блокування світла головної зірки, що дозволяє вченим зафіксувати слабке зображення нового світу на орбіті. Але оскільки визначення їх місцезнаходження таким чином може бути важким і трудомістким, дослідники мали на меті побачити, наскільки добре телескопи ELT зможуть впоратися з цим завданням. Для цього вони перевірили здатність інструментів кожного телескопа відрізняти універсальний фоновий шум від планетарного шуму, який вони мали на меті вловити під час виявлення біосигнатур; що називається співвідношенням сигнал/шум, чим воно вище, тим легше виявити та проаналізувати довжину хвилі планети.

Результати показали, що режим прямого зображення одного з європейських інструментів ELT, який називається Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, показав кращі результати для трьох планет (GJ 887 b, Proxima b і Wolf 1061 c) у визначенні присутності метану, вуглецю двоокис і воду, тоді як його монолітний оптичний і ближній інфрачервоний інтегральний польовий спектрограф з високою кутовою роздільною здатністю міг виявляти метан, вуглекислий газ, кисень і воду, але потребував значно більшого часу експозиції.

Крім того, оскільки ці висновки стосувалися інструментів, яким доведеться вдивлятися крізь хімічний туман земної атмосфери, щоб просувати пошуки космічного життя, їх порівнювали з поточними можливостями JWST у космосі, сказав Чжан.

Порівняльний аналіз космічних і наземних телескопів

«Важко сказати, чи космічні телескопи кращі за наземні, тому що вони різні», — сказав він. «У них різні середовища, різні місця, і їхні спостереження мають різний вплив».

У цьому випадку результати показали, що хоча GJ 887 b є однією з найбільш підходящих цілей для прямого зображення ELT, оскільки його розташування та розмір призводять до особливо високого співвідношення сигнал/шум для деяких транзитних планет, таких як TRAPPIST-1 системи, методи JWST для вивчення планетарних атмосфер більше підходять для їх виявлення, ніж прямі зображення з ELT на Землі.

Майбутні напрямки та важливість моделювання

Оскільки в дослідженні були використані більш консервативні припущення щодо даних, за словами Чжана, справжня ефективність майбутніх астрономічних інструментів все ще може здивувати вчених. І, окрім тонких контрастів у продуктивності, ці потужні технології служать для розширення нашого розуміння Всесвіту та покликані доповнювати одна одну, сказав Джі Ван, співавтор дослідження та доцент астрономії в штаті Огайо. Ось чому такі дослідження, які оцінюють обмеження цих технологій, необхідні, сказав він.

«Неможливо переоцінити важливість моделювання, особливо для місій, які коштують мільярди доларів», — сказав Ван. «Людям потрібно не тільки створювати апаратне забезпечення, але й дуже старанно моделювати продуктивність і бути готовими досягти чудових результатів».

Цілком імовірно, оскільки ELT не буде завершено до кінця десятиліття, наступні кроки дослідників зосередяться на моделюванні того, наскільки добре майбутні інструменти ELT досліджуватимуть тонкощі нестримних доказів існування життя на нашій власній планеті.

«Ми хочемо побачити, якою мірою ми можемо вивчити нашу атмосферу до найдрібніших деталей і скільки інформації ми можемо витягти з неї», — сказав Ван. «Тому, що, якщо ми не можемо відповісти на запитання про придатність для проживання в атмосфері Землі, ми не зможемо відповісти на ці питання навколо інших планет».