Webb’in Dünya Benzeri Gezegenler İçin Spektroskopik Avı

James Webb Uzay Teleskobu atmosferik bileşimlerini analiz etmek için iletim spektroskopisini kullanarak küçük, potansiyel olarak yaşanabilir dış gezegenleri aktif olarak araştırıyor. Süreç, küçük sinyal boyutları ve kapsamlı gözlem sürelerine duyulan ihtiyaç nedeniyle karmaşık hale geliyor ve bu da yaşamın biyolojik imzalarının tespitini zorlu bir görev haline getiriyor.

Dış gezegenler galaksimizde yaygındır ve hatta bazıları yıldızlarının sözde yaşanabilir bölgesinde yörüngede döner. NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu bu küçük, potansiyel olarak yaşanabilir gezegenlerden birkaçını gözlemlemekle meşguldü ve gökbilimciler artık Webb verilerini analiz etmek için yoğun bir şekilde çalışıyor. Doktorları davet ediyoruz. NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi’ndeki iki Webb proje bilimcisi olan Knicole Colón ve Christopher Stark, bu diğer dünyaları araştırmanın zorlukları hakkında bize daha fazla bilgi vermek için.

Potansiyel Olarak Yaşanabilir Gezegenlerin Tanımlanması

“Potansiyel olarak yaşanabilir bir gezegen genellikle, yıldızının ‘yaşanabilir bölgesi’nde (gezegenin gezegenin bulunduğu yer) yörüngesinde dönen, Dünya’ya benzer büyüklükte bir gezegen olarak tanımlanır. abilir suyun sıvı olduğu bir sıcaklığa sahip abilir yüzeyinde bulunur. Şu anda Dünya gibi küçük, kayalık gezegenler olabilecek ve yaşanabilir bölgede yörüngede olan yaklaşık 30 gezegen biliyoruz.

“Ancak, yaşanabilir bölgede dönen bir gezegenin, bırakın yerleşimi (şu anda yaşamı destekliyor) gerçekte yaşanabilir olduğuna (yaşamı destekleyebileceğine) dair hiçbir garanti yok. Bu yazının yazıldığı sırada yaşanabilir ve üzerinde yerleşimin olduğu bilinen tek bir gezegen vardı: Dünya!

Bu infografik galaksimizdeki üç sınıf yıldızın özelliklerini karşılaştırmaktadır: Güneş benzeri yıldızlar G yıldızları olarak sınıflandırılır; Güneşimizden daha az kütleli ve daha soğuk yıldızlar K cüceleridir; hatta daha sönük ve daha soğuk yıldızlar da kırmızımsı M cüceleridir. Yaşanabilir bölgenin boyutu her yıldız sınıfı için farklıdır. Güneş sistemimizde yaşanabilir bölge Venüs’ün yörüngesinin hemen ötesinde başlar ve neredeyse Mars’ı kapsar. Katkıda bulunanlar: NASA, ESA ve Z. Levy (STScI)

Dış Gezegen Atmosferlerini Gözlemlemenin Zorlukları

“Webb’in gözlemlediği potansiyel olarak yaşanabilir dünyaların hepsi geçiş yapan ötegezegenleryani yörüngeleri neredeyse tam kenarda olduğundan ev sahibi yıldızların önünden geçiyorlar. Webb, gezegen yıldızının önünden geçtiğinde iletim spektroskopisi gerçekleştirmek için bu yönelimden yararlanıyor. Bu yönelim, gezegenlerin atmosferlerinden süzülen yıldız ışığını inceleyerek kimyasal bileşimlerini öğrenmemize olanak tanır.

“Ancak, küçük kayalık bir gezegenin ince atmosferi tarafından engellenen yıldız ışığı miktarı çok küçüktür, genellikle %0,02’den çok daha küçüktür. Bu küçük dünyaların etrafındaki atmosferi basitçe tespit etmek oldukça zordur. Yaşanabilirlik olasılığını artırabilecek su buharının varlığını belirlemek daha da zordur. Aranıyor biyoimzalar (biyolojik olarak üretilen gazlar) olağanüstü derecede zor ama aynı zamanda heyecan verici bir çabadır.

Ne zaman dış gezegen Doğrudan ev sahibi yıldızı ile gözlemcinin arasından geçiyorsa, gezegenin ev sahibi yıldızının önünden geçtiğini söylüyoruz. Bu geçiş, yıldızın ışığını ölçülebilir bir miktarda azaltır ve yıldız ışığı, eğer varsa, ötegezegenin atmosferinden de filtrelenir. Bu animasyon, tek bir gezegeni ve geçiş sırasında ışık seviyelerindeki buna karşılık gelen değişimi gösterir. Kredi: NASAJet Tahrik Laboratuvarı

“Şu anda, LHS 1140 b ve TRAPPIST-1 e gezegenlerini de içeren, Webb ile atmosferik karakterizasyon için erişilebilir olduğu düşünülen yalnızca bir avuç küçük, potansiyel olarak yaşanabilir dünya var.

Biyoimzaların Tespitinde Teknik Zorluklar

“Bazı son teorik çalışmalar Süper Dünya büyüklüğündeki gezegen LHS 1140 b’nin atmosferindeki gaz moleküllerinin tespit edilebilirliğinin araştırılması, biyolojik imzaların araştırılmasındaki çeşitli zorlukların altını çiziyor. Çalışma, amonyak, fosfin, klorometan gibi potansiyel biyo-imzaların saptanması için gezegenin kendi yıldızının etrafından yaklaşık 10-50 geçişinin (Webb ile 40-200 saatlik gözlem süresine eşdeğer) gerekli olacağını belirtiyor. nitröz oksiten iyi senaryoda açık, bulutsuz bir atmosfer.

Dünya benzeri bir atmosferin simüle edilmiş iletim spektrumu, ozon (O3), su (H2O), karbondioksit (CO2) ve metan (CH4) gibi moleküllerin emdiği güneş ışığının dalga boylarını gösterir. (Bu grafikte y ekseninin, atmosferde geçen güneş ışığının parlaklığı yerine Dünya benzeri gezegenin atmosferi tarafından engellenen ışık miktarını gösterdiğine dikkat edin: Parlaklık aşağıdan yukarıya doğru azalır.) Lisa Kaltenegger ve Zifan’dan model iletim spektrumu Lin 2021 ApJL 909. Kredi: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Ötegezegen Gözlem Programlarının Karmaşıklıkları

“Webb’in, sistemin gökyüzündeki konumu nedeniyle LHS 1140 sistemini yıl boyunca görüntüleyemediği göz önüne alındığında, LHS 1140 b’nin 50 geçiş gözlemini toplamak on yıla yakın olmasa bile birkaç yıl sürecektir. Gezegenin atmosferi bulutluysa, biyolojik imzaları aramak 50’den fazla geçiş gözlemi gerektirebilir.

“Küçük dış gezegenlerin çoğunun, aranan sinyali zayıflatan veya gizleyen bulutlara veya puslara sahip olduğu biliniyor. Bu biyolojik imza gazlarının atmosferik sinyalleri aynı zamanda diğer beklenen atmosferik sinyallerle (örneğin gaz halindeki metan veya karbon dioksitten dolayı) örtüşme eğilimindedir, bu nedenle çeşitli sinyaller arasında ayrım yapmak başka bir zorluktur.

Hycean Gezegenleri: Araştırma için Yeni Bir Cadde

“Biyoimza arayışındaki potansiyel bir yol, nispeten ince, hidrojen açısından zengin bir atmosfere ve önemli bir sıvı su okyanusuna sahip, süper Dünya boyutunda gezegenlerin teorik bir sınıfı olan Hycean gezegenlerinin incelenmesidir. Süper Dünya K2-18 b, Webb ve diğer gözlemevlerinden elde edilen güncel verilere göre potansiyel olarak yaşanabilir bir Hycean gezegeni adayıdır.

“Yakın zamanda yayınlanan çalışma, K2-18 b’nin atmosferindeki metan ve karbondioksiti tespit etmek için NIRSpec ve NIRISS’i kullandı, ancak suyu tespit etmedi. Bu, K2-18b’nin sıvı su okyanusuna sahip bir Hycean dünyası olduğu önerisinin henüz doğrudan gözlemsel kanıt olmaksızın teorik modellere dayandığı anlamına geliyor. Çalışmanın yazarları ayrıca K2-18 b atmosferinde potansiyel biyo-imza dimetil sülfürün olası varlığına da işaret etti, ancak potansiyel dimetil sülfit sinyali mevcut verilerde kesin bir tespit için çok zayıf.

James Webb Uzay Teleskobu’nun sanatçı anlayışı. Katkıda bulunanlar: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

“Hycean gezegenleri sınıfına ilişkin kavram ve çalışma çok yeni, öyle ki sıvı su okyanusu senaryosuna (ve dolayısıyla yaşanabilir bir çevre potansiyeline) alternatif yorumlar hala araştırılıyor. NIRSpec ve MIRI cihazlarıyla yapılacak Webb gözlemleri, potansiyel Hycean gezegeni K2-18 b’nin doğasına ve atmosferinde dimetil sülfürün olası varlığına daha fazla ışık tutacaktır.

Gözlemsel Verilerdeki Karıştırıcı Faktörler

“Webb’in küçük, potansiyel olarak yaşanabilir dünyalar hakkındaki çalışmasını zorlaştıran bir diğer kafa karıştırıcı faktör de, ev sahibi yıldızlar su buharı belirtileri de sergileyebilir. GJ 486 b olarak bilinen kayalık dış gezegene ilişkin son Webb gözlemleri. Bu nedenle, Webb tarafından tespit edilen su buharının aslında bir gezegenin yıldızından değil de atmosferinden olup olmadığını belirlemek gibi ek bir zorlukla karşı karşıyayız.

Sonuç: Ötegezegen Çalışmalarının Geleceği

“Soğuk yıldızların yörüngesindeki küçük, potansiyel olarak yaşanabilir geçiş gezegenlerinin atmosferlerindeki biyolojik imzaların tespiti son derece zorlu bir çabadır; tipik olarak ideal koşullar gerektirir (örneğin, bulutsuz atmosferler) veya erken Dünya ortamlarının (örneğin, modern Dünya’dan farklı olduğu) varsayılır. bunu biliyoruz), milyonda 200 parçadan önemli ölçüde daha küçük sinyallerin tespiti, yıldız noktalarında önemli miktarda su buharı bulunmayan iyi huylu bir yıldız ve yeterli sinyal-gürültüye ulaşmak için önemli miktarda teleskop süresi.

“Tek bir biyolojik imzanın herhangi bir şekilde tespit edilmesinin yaşamın keşfi anlamına gelmediğini de akılda tutmak önemlidir. Bir dış gezegende yaşamın keşfi muhtemelen çok sayıda açık bir şekilde tespit edilen biyolojik imzaları, birden fazla görev ve gözlemevinden elde edilen verileri ve kapsamlı atmosferik modelleme çalışmalarını gerektirecektir; bu muhtemelen yıllar sürecek bir süreçtir.

“Webb’in gücü, soğuk yıldızların etrafında dönen, potansiyel olarak yaşanabilirlik potansiyeli en yüksek olan bir avuç gezegenin atmosferlerini tespit etme ve karakterize etmeye başlama hassasiyetine sahip olmasıdır. Webb özellikle su buharı, metan ve karbondioksit gibi yaşam için önemli olan bir dizi molekülü tespit etme yeteneğine sahip. Amacımız, Webb ile yaşanabilir imzaları kesin olarak belirleyemesek bile, potansiyel olarak yaşanabilir olabilecek dünyalar hakkında mümkün olduğunca çok şey öğrenmektir.

“Webb gözlemleri, NASA’nın yaklaşmakta olan Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu’nun ötegezegen araştırmalarıyla birleştiğinde, sonuçta geleceğin temellerini atacak Yaşanabilir Dünyalar GözlemeviBu, NASA’nın Güneş benzeri yıldızların etrafındaki Dünya benzeri gezegenlerdeki yaşamın neden olduğu kimyasal izleri doğrudan görüntülemek ve aramak amacıyla inşa edilen ilk görevi olacak.”

Yazarlar Hakkında:

Knicole Colón, NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nde astrofizikçidir ve Exoplanet Science için James Webb Uzay Teleskobu proje bilimcisi yardımcısı olarak görev yapmaktadır.

Christopher Stark, NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’ndeki Dış Gezegenler ve Yıldız Astrofizik Laboratuvarı’nda astrofizikçidir ve James Webb Uzay Teleskobu gözlemevi proje bilimcisi yardımcısı olarak görev yapmaktadır.