Μια νέα τεχνική για «βλέποντας» επιφάνειες εξωπλανητών με βάση το περιεχόμενο της ατμόσφαιράς τους
Τον Νοέμβριο του 2021, το Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) θα κάνει το πολυαναμενόμενο ταξίδι του στο διάστημα. Αυτό το παρατηρητήριο επόμενης γενιάς θα παρατηρήσει το σύμπαν χρησιμοποιώντας την προηγμένη σουίτα υπερύθρων και θα αποκαλύψει πολλά πράγματα που δεν έχουν ξαναδεί. Μέχρι το 2024, θα ενταχθεί στο Ρωμαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace (RST), ο διάδοχος της αποστολής Hubble που θα έχει 100 φορές το οπτικό πεδίο του Hubble και ταχύτερο χρόνο παρατήρησης.
Αυτά τα όργανα θα συνεισφέρουν τεράστια σε πολλά πεδία έρευνας, το σημαντικότερο από τα οποία είναι η ανακάλυψη και ο χαρακτηρισμός του εξωηλιακούς πλανήτες . Αλλά ακόμη και με την προηγμένη οπτική και τις δυνατότητές τους, αυτές οι αποστολές δεν θα μπορούν να εξετάσουν τις επιφάνειες των εξωπλανητών με καμία λεπτομέρεια. Ωστόσο, μια ομάδα του UC Santa Cruz (UCSC) και του Ινστιτούτο Διαστημικής Επιστήμης (SSI) έχουν αναπτύξει το επόμενο καλύτερο πράγμα: ένα εργαλείο για την ανίχνευση μιας επιφάνειας εξωπλανήτη χωρίς να τον βλέπεις άμεσα.
Η εργασία που περιγράφει την έρευνά τους, με τίτλο « Πώς να αναγνωρίσετε επιφάνειες εξωπλανητών χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικά ίχνη σε ατμόσφαιρες που κυριαρχούν το υδρογόνο », εμφανίστηκε πρόσφατα στοThe Astrophysical Journal. Όπως ανέφεραν, η ομάδα προσπάθησε να αναπτύξει τρόπους για να μελετήσει τις επιφάνειες των εξωπλανητών με βάση την ατμοσφαιρική τους σύνθεση. Αυτό είναι απαραίτητο αφού κανένα από τα επερχόμενα διαστημικά τηλεσκόπια δεν έχει την ικανότητα να μελετήσει έμμεσα τα επιφανειακά χαρακτηριστικά ενός εξωπλανήτη.
Ωστόσο, αυτά τα ίδια τηλεσκόπια θα είναι εξαιρετικά εργαλεία για τον προσδιορισμό της σύνθεσης των ατμοσφαιρικών εξωπλανητών. Πέρα από τοΤζέιμς ΓουέμπκαιΡωμαϊκά διαστημικά τηλεσκόπια, μια σειρά από επίγεια παρατηρητήρια επόμενης γενιάς θα τεθούν σε λειτουργία τα επόμενα χρόνια που θα έχουν παρόμοιες δυνατότητες. Αυτά περιλαμβάνουν το Εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο (ELT), το Γιγαντιαίο τηλεσκόπιο Μαγγελάνου (GMT), και το Τηλεσκόπιο τριάντα μέτρων (TMT).
Με το συνδυασμό υψηλής ευαισθησίας, κορονογράφων και προσαρμοστικών οπτικών, αυτά τα παρατηρητήρια θα μπορούν να Άμεση Απεικόνιση μελέτες εξωπλανητών, όπου το φως που ανακλάται απευθείας από την ατμόσφαιρα ενός εξωπλανήτη θα μελετηθούν για να προσδιοριστεί η ατμοσφαιρική σύνθεση. Αυτό θα βοηθήσει τους αστρονόμους και τους αστροβιολόγους να θέτουν αυστηρότερους περιορισμούς σχετικά με το ποιοι εξωπλανήτες είναι «δυνητικά κατοικήσιμοι» και ποιοι όχι.
Ωστόσο, οι συνθήκες που θεωρούμε προαπαιτούμενα για τη ζωή περιλαμβάνουν επίσης γεωλογικές διεργασίες όπως η ηφαιστειακή δραστηριότητα και η τεκτονική πλακών, οι οποίες διακρίνονται από τα σχετικά επιφανειακά χαρακτηριστικά τους. Αν και μπορεί να μην είμαστε σε θέση να τα διακρίνουμε στο εγγύς μέλλον, Xinting Yu (Μεταδιδακτορικός Συνεργάτης των Επιστημών της Γης και των Πλανητών στο UCSC) και οι συνεργάτες της έχουν προτείνει έναν νέο τρόπο προσδιορισμού των επιφανειακών χαρακτηριστικών με βάση την αφθονία των ατμοσφαιρικών αερίων.
Όπως εξήγησε ο Δρ. Yu μέσω email στο Universe Today, η έμπνευση για αυτή τη μέθοδο προήλθε από δύο σώματα του Ηλιακού μας Συστήματος – τον Δία και τον Τιτάνα (το μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου). Και τα δύο σώματα έχουν πυκνές αέριες ατμόσφαιρες με δύο χημικά είδη - την αμμωνία (NH3) και μεθάνιο (CH4) – που παίζουν σημαντικό ρόλο στις ατμοσφαιρικές διεργασίες. Είπε ο Yu:
«Ο Τιτάνας έχει μια κρύα και ρηχή επιφάνεια με σχεδόν καθόλου (ή δεν υποτίθεται ότι υπάρχει) αμμωνία και μεθάνιο, ενώ η ατμόσφαιρα του Δία έχει πολλή αμμωνία και μεθάνιο. Γιατί συμβαίνει αυτό? Στην ανώτερη ατμόσφαιρα τόσο του Δία όσο και του Τιτάνα, η αμμωνία και το μεθάνιο καταστρέφονται συνεχώς από τα υπεριώδη φωτόνια, σχηματίζοντας άζωτο (για την αμμωνία) και πιο σύνθετους υδρογονάνθρακες (για το μεθάνιο). Στον Τιτάνα, το άζωτο που σχηματίζεται από τη φωτοχημεία και οι σύνθετοι υδρογονάνθρακες συνεχίζουν να σχηματίζονται και να συσσωρεύονται».
Εικόνα Cassini του μεγαλύτερου φεγγαριού του Κρόνου, Τιτάνα. Πίστωση: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Εν ολίγοις, το μεθάνιο και η αμμωνία καταστρέφονται στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα και στη συνέχεια καταναλώνονται για να σχηματίσουν άζωτο και υδρογονάνθρακες. Αυτό οδήγησε στο να γίνει το άζωτο το κυρίαρχο αέριο στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα (98% κατ' όγκο) και η μεγάλη εναπόθεση υδρογονανθράκων στην επιφάνειά του, οδηγώντας στο σχηματισμό ενός περιβάλλοντος πλούσιου σε οργανικά. Λόγω του ακραίου ψύχους της επιφάνειας του Τιτάνα, αυτή η διαδικασία μετατροπής είναι μη αναστρέψιμη.
Ο Δίας, από την άλλη πλευρά, έχει επίσης αμμωνία και μεθάνιο στην πυκνή του ατμόσφαιρα, αλλά δεν έχει επιφάνεια για να μιλήσει. Όπως εξήγησε ο Yu, αυτό οδηγεί σε μια μάλλον διαφορετική διαδικασία όπου εμπλέκονται τα χημικά είδη:
«Επειδή δεν υπάρχει επιφάνεια στον Δία, η ατμόσφαιρα απλώνεται σε χιλιάδες επιφανειακές πιέσεις της Γης και χιλιάδες Κέλβιν. Το άζωτο που σχηματίζεται από τη φωτοχημεία και οι σύνθετοι υδρογονάνθρακες στην ανώτερη ατμόσφαιρα μπορούν να μεταφερθούν σε αυτό το βαθύ, ζεστό μέρος της ατμόσφαιρας. Εκεί, θα μπορούσαν να συνδυάσουν υδρογόνο για να αναμορφώσουν το μεθάνιο και την αμμωνία. Το αναμορφωμένο μεθάνιο και η αμμωνία στη συνέχεια «ανακυκλώνονται» πίσω στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Αυτός ο κύκλος συνεχίζει να αναπληρώνει το κατεστραμμένο μεθάνιο και αμμωνία».
Ένα άλλο βασικό σημείο που αναφέρθηκε από τη Yu και την ομάδα της έχει να κάνει με την τρέχουσα απογραφή εξωπλανητών. Μέχρι σήμερα, η πλειονότητα των εξωπλανητών που έχουν ανακαλυφθεί ήταν μίνι-Ποσειδώνας – δηλαδή, πλανήτες με μικρότερη μάζα από τον Ποσειδώνα, αλλά με πυκνή ατμόσφαιρα που κυριαρχείται από υδρογόνο και ήλιο. Στην πραγματικότητα, του 4.401 επιβεβαιωμένοι εξωπλανήτες μέχρι σήμερα, 1.488 έχουν αναγνωριστεί ως «Ποσειδώνα», με μάζες που κυμαίνονται από 9 φορές μεγαλύτερη από αυτή της Γης έως ελαφρώς μικρότερη από τον Δία.
Η ατμόσφαιρα του Δία, όπως απεικονίζεται από την αποστολή Juno (χρωματισμένη από τον Kevin M. Gill). Πιστώσεις: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill
Λόγω των αέριων περιβλημάτων τους και των αποστάσεων που εμπλέκονται, είναι αδύνατο να προσδιοριστεί εάν αυτοί οι πλανήτες έχουν βγει στην επιφάνεια και πού βρίσκονται. Λόγω της στατιστικής τους σημασίας, η Yu και η ομάδα της αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ένα ειδικά για να δοκιμάσουν τη νέα τους προσέγγιση. Αυτός ήταν ο K2-18b, ένας μίνι-Ποσειδώνας με περίπου 8 φορές τη μάζα της Γης που περιφέρεται εντός της κατοικήσιμης ζώνης (HZ) ενός κόκκινου νάνου αστέρα (K2-18) που βρίσκεται 124 έτη φωτός από τη Γη.
Αρχικά ανιχνεύθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler το 2015, ο K2-18b είναι ο πρώτος εξωπλανήτης HZ που βρέθηκε να έχει σημαντικές ποσότητες υδρατμών στην ατμόσφαιρά του. Χρησιμοποιώντας ένα φωτοχημικό μοντέλο, η Yu και η ομάδα της προσομοίωσαν πώς η παρουσία μιας επιφάνειας σε αυτόν τον εξωπλανήτη θα επηρέαζε την ατμοσφαιρική εξέλιξη του K2-18b. Επίσης, αντιπροσώπευαν διαφορετικά επίπεδα ατμοσφαιρικής πίεσης και θερμοκρασίας, παράγοντες που συνδέονται με το υψόμετρο της επιφάνειας.
«Αναρωτιόμαστε αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την αφθονία ειδών όπως η αμμωνία και το μεθάνιο για να πούμε εάν ένας εξωπλανήτης έχει επιφάνεια ή όχι», είπε ο Yu. «Μια κρύα και ρηχή επιφάνεια θα έκοψε όλες τις αντιδράσεις «ανακύκλωσης» που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις σε βαθιές πλανητικές ατμόσφαιρες για την αναμόρφωση του μεθανίου και της αμμωνίας. Έτσι, περιμένουμε να δούμε λίγο μεθάνιο και αμμωνία σε έναν εξωπλανήτη με ψυχρή και ρηχή επιφάνεια και πολύ μεθάνιο και αμμωνία σε έναν εξωπλανήτη χωρίς επιφάνεια ή βαθιά και καυτή επιφάνεια».
Αυτό που βρήκαν ήταν ότι η αμμωνία και το μεθάνιο, όπως προβλεπόταν, ήταν και τα δύο ευαίσθητα τόσο στην παρουσία όσο και στην ανύψωση μιας επιφάνειας. Αυτό είναι σύμφωνο με αυτό που έχει παρατηρηθεί με εξωπλανήτες που έχουν κρύες και ρηχές επιφάνειες, όπου χημικά είδη όπως το νερό, το υδροκυάνιο και οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες διασπώνται από την έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Εν τω μεταξύ, είδη όπως το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα (τα οποία είναι λιγότερο επιρρεπή στην καταστροφή από την υπεριώδη ακτινοβολία) διατηρούνται.
Η εντύπωση του καλλιτέχνη για έναν πλανήτη Super-Earth που περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι που μοιάζει με τον Ήλιο. Πίστωση: ESO/M. Kornmesser
Αυτό που ήταν απροσδόκητο, ωστόσο, ήταν ο τρόπος με τον οποίο διαφορετικές χημικές ουσίες είναι ευαίσθητες με διαφορετικούς τρόπους σε διαφορετικά επίπεδα ανύψωσης. Σύμφωνα με τον Yu, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα είδη άνθρακα και αζώτου έχουν ένα «γλυκό σημείο» όπου μπορούν να ανακυκλωθούν πλήρως. Ενώ η αμμωνία και το υδροκυάνιο (HCN) είναι ευαίσθητα σε ατμόσφαιρες με πυκνότητες 100 bar στην επιφάνεια (100 φορές αυτή της Γης, παρόμοια με την Αφροδίτη), το μεθάνιο, το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα είναι ευαίσθητα σε πιέσεις κάτω από 10 bar στην επιφάνεια (δεκαπλάσια από τη Γη).
Αυτά τα ευρήματα παρουσιάζουν πολλαπλές συνέπειες για τη μελέτη των εξωπλανητών, το κυριότερο από τα οποία είναι το γεγονός ότι οι πλανητικές επιφάνειες έχουν σημασία. Είπε ο Yu:
«Προηγουμένως, οι επιστήμονες προέβλεπαν τις ατμοσφαιρικές συνθέσεις των εξωπλανητών χρησιμοποιώντας μοντέλα θερμοχημικής ισορροπίας. Οι ατμοσφαιρικές συνθέσεις καθορίζονται αποκλειστικά από την πίεση και τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας. Αλλά η μελέτη μας δείχνει, ακόμη και αν η πίεση και η θερμοκρασία είναι ίδιες, η προσθήκη μιας επιφάνειας μπορεί να αλλάξει δραστικά την ατμοσφαιρική σύνθεση ενός εξωπλανήτη!».
Μια άλλη συνέπεια αυτής της μελέτης είναι ότι είναι δυνατό για τους αστρονόμους να μάθουν για τις επιφάνειες των εξωπλανητών με βάση την ατμοσφαιρική τους σύνθεση. «Για παράδειγμα, όταν οι παρατηρητές βλέπουν εξαντλημένες ποσότητες αμμωνίας και HCN, μπορούμε να πούμε ότι αυτός ο εξωπλανήτης έχει επιφάνεια μικρότερη από 100 bar», πρόσθεσε ο Yu. «Τότε, αν δούμε επίσης εξαντλημένες ποσότητες μεθανίου, υδρογονανθράκων και αυξημένη ποσότητα μονοξειδίου του άνθρακα, αυτό δείχνει μια επιφάνεια μικρότερη από 10 bar. Αυτό είναι πολλά υποσχόμενο για τον εντοπισμό κατοικήσιμων εξωπλανητών!».
Πέρα από τον χαρακτηρισμό των μίνι Ποσειδώνων, αυτή η έρευνα έχει επίσης συνέπειες για όλους τους άλλους τύπους εξωπλανητών – συμπεριλαμβανομένων των βραχωδών, «όμοιων με τη Γη». Στην πραγματικότητα, όσο ο εν λόγω πλανήτης έχει ατμόσφαιρα και υπόκειται σε υπεριώδη ακτινοβολία στην ανώτερη ατμόσφαιρά του, το μέγεθος του εξωπλανήτη είναι άσχετο. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι αστρονόμοι θα δουν τις ίδιες διαφορές στην αφθονία των χημικών, ανάλογα με το αν υπάρχει ή όχι μια επιφάνεια.
Η εντύπωση του καλλιτέχνη για το μέγεθος της Γης, βραχώδη εξωπλανήτη GJ 1132 b, που βρίσκεται 41 έτη φωτός μακριά γύρω από ένα κόκκινο νάνο αστέρι. Πίστωση: NASA, ESA και R. Hurt (IPAC/Caltech)
Σύμφωνα με τον Yu, είναι οι μικρότεροι ψυχρότεροι εξωπλανήτες που είναι πιο πολλά υποσχόμενοι στόχοι δοκιμών για αυτή τη μέθοδο, καθώς είναι πιο πιθανό να έχουν ρηχές και κρύες επιφάνειες. Ωστόσο, οι μικρότεροι πλανήτες είναι επίσης πιο πιθανό να έχουν εσωτερικές ή επιφανειακές διεργασίες που θα επηρεάσουν την αφθονία ορισμένων χημικών ουσιών στην ατμόσφαιρά τους – όπως η ηφαιστειακή δραστηριότητα και οι τεκτονικές πλακών. Όσο μικρότερες είναι, τόσο πιο σημαντικές θα μπορούσαν να είναι αυτές οι διαδικασίες.
Αυτές και άλλες ανησυχίες είναι πράγματα που η Yu και η ομάδα της ανυπομονούν να μελετήσουν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στο μέλλον για να προσδιορίσουν την ευρωστία των αποτελεσμάτων τους και πώς μπορεί να επηρεαστεί από διαφορετικές διαταραχές από την επιφάνεια/εσωτερικό των εξωπλανητών. Οι προσπάθειές τους, και οι προσπάθειές τους γενικά των αστροβιολόγων, θα ωφεληθούν σε μεγάλο βαθμό από την έναρξη του JWST, που αυτή τη στιγμή έχει προγραμματιστεί να πραγματοποιηθεί κάποια στιγμή τον Νοέμβριο του 2021. Είπε ο Yu:
«Η μελέτη μας επισημαίνει μια συναρπαστική επιστημονική οπτική για το JWST. Είναι καλό να έχουμε μόνο δεδομένα ατμοσφαιρικού χαρακτηρισμού. Χωρίς άμεσες επιφανειακές παρατηρήσεις, μπορούμε ακόμα να πούμε εάν ένας εξωπλανήτης έχει επιφάνεια, ακόμη και κατά προσέγγιση πού βρίσκεται η επιφάνεια. Το να γνωρίζουμε αν ένας εξωπλανήτης έχει επιφάνεια είναι επίσης αναμφίβολα σημαντικό για την αστροβιολογία. Μια υγρή ή μια στερεή επιφάνεια είναι πιθανώς απαραίτητη για τη διατήρηση πολύπλοκων μορφών ζωής. Έτσι, η ύπαρξη μιας επιφάνειας θα ήταν ένα ουσιαστικό πράγμα που πρέπει να αναζητήσουμε κατά την αξιολόγηση της κατοικιμότητας ενός εξωπλανήτη».
Η ικανότητα άμεσης μελέτης εξωπλανητών, σε συνδυασμό με την ικανότητα περιορισμού των συνθηκών της επιφάνειάς τους, θα προωθήσει σημαντικά τη μελέτη της αστροβιολογίας. Το πεδίο θα ωφεληθεί επίσης από καινοτόμες μεθόδους που θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να αναζητήσουν ζωή (γνωστός και ως βιουπογραφές) με βάση διαφορετικά επίπεδα εντροπίας σε ένα περιβάλλον ή διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας με οργανικά σωματίδια. Σιγά σιγά περιορίζουμε την εστίαση και σφίγγουμε τους περιορισμούς!
Αν υπάρχει ζωή εκεί έξω για να βρεθεί, τη βρίσκουμε αργά ή γρήγορα!
Περαιτέρω ανάγνωση: The Astrophysical Journal