Yaşanabilir ekzo-Dünyalara mı yoksa cehennem gibi exo-Venüslere mi baktığımızı nasıl bilebiliriz?

Dünya ve Venüs arasındaki farklar bizim için açıktır. Biri yaşamla parıldayan ve ışıltılı denizlerle bezenmiş, diğeri ise yalnızca radarla görülebilen ve kalın bulutlarla örtülü volkanik yüzeyiyle kavurucu, parıldayan bir cehennem çukuru. Ancak fark her zaman net değildi. Aslında Venüs’e Dünya’nın kardeş gezegeni derdik.

Gökbilimciler dış-Dünyalar ile dış-Venüsleri büyük bir mesafeden ayırt edebilirler mi?

Uzak güneşlerin yaşanabilir bölgelerinde çok sayıda karasal gezegen var. Bazen sadece kayalık oldukları ve yıldızdan doğru uzaklıkta oldukları için “Dünya benzeri” olarak tanımlanırlar. Ancak atmosferleri ve iklimleri hakkında yetersiz bilgilerle ve levha tektoniği gibi diğer şeyler hakkında neredeyse hiçbir bilgi olmadan, gerçekten Dünya benzeri olarak tanımlanabilirler mi? Kolayca aşırı ısınmış dış Venüsler olabilirler mi?

Polarimetri, hangi dış gezegenlerin Dünya’ya ve hangilerinin Venüs’e daha çok benzediğini belirlememize yardımcı olabilir.

Polarimetri, içinden geçtiği, yansıdığı veya kırıldığı veya kırıldığı malzemeden etkilenen polarize ışığın ölçümüdür. Polarimetri aynı zamanda ölçümlerin yorumlanmasıdır. Yeni bir makale, oluşumundan bu yana Venüs atmosferinin evrimine dayanan farklı dış gezegen atmosferleri tarafından yansıtılan yıldız ışığının kutuplaşmasını modelliyor. Yazarlar, polarimetrinin Dünya benzeri dış gezegenler ile Venüs benzeri dış gezegenler arasında ayrım yapıp yapamayacağını bilmek istediler.

“Exo-Earths to exo-Venüslere—Flux and Polarization Signatures of Reflected Light” başlıklı makale, arXiv ön baskı sunucusu. Baş yazar, Hollanda Uzay Araştırmaları Enstitüsü’nde Atmosfer Fizikçisi olan Gourav Mahapatra’dır.

Venüs ve Dünya arasındaki karşılaştırmalar, gezegen biliminde öğretici vakalardır. İkisi de aynı yaşta, yaklaşık olarak aynı büyüklükte, ikisi de aynı malzemelerden oluşan kayalık gezegenler ve her ikisinin de önemli atmosferleri var. Ancak astronomlar yaşanabilirliği merak ediyor. Yaşanabilirlik söz konusu olduğunda, gezegen çifti çok farklıdır. Venüs sessizken, Dünya yaşam korosuyla şarkı söylüyor.

Bilim adamları, Dünya’nın ve Venüs’ün atmosferlerinin zaman içinde çok değiştiğini biliyorlar. Gökbilimciler, Dünya benzeri gezegenler aramak için dış gezegenleri incelediklerinde, evrimin hangi aşamasında olduklarını bilemezler, bu nedenle, farklı evrim aşamalarındaki atmosferleri modellemeleri gerekir. Dış-Venüsler dış-Dünya kılığına girebildikleri için, ikisini birbirinden ayırmak için bir yönteme ihtiyaçları var.

Venüs, dünyaya benzer ince bir atmosferle başlamış olabilir. Bir de okyanusu olabilirdi. Ancak gezegen kontrolden çıkmış bir sera etkisine maruz kaldı. Bu, suyu atmosfere sürükledi ve su buharı ile zenginleştirilmiş bir atmosfer yarattı. Bu zaman aldı ve araştırmacılar Venüs’ün atmosferini dört farklı aşamada modellediler ve karasal ötegezegenler bulduklarında görebileceklerini taklit ettiler.

Araştırmacılar, Venüs atmosferinin farklı evrim aşamalarından gelen atmosferler için ışığın hem akışını hem de kutuplaşmasını hesapladılar. Atmosfer bileşimlerini saf sudan, Venüs’ün kalın modern atmosferinde imzası olan bir gaz olan sülfürik asit içerenlere kadar çeşitlendirdiler. Polarizasyon farkının akıya karşı ne kadar güçlü olduğunu öğrenmek istediler. Kutuplaşma ölçülebilir bir şekilde değişiyorsa, bir şeyin peşindeydiler.

Aşama 1’de atmosfer, oksijen dışında Dünya’nın mevcut atmosferiyle eşleşir. Oksijen sonuçları pek etkilemez, bu nedenle bir ötegezegenin atmosferindeki oksijen miktarı polarimetri için kritik olmayacaktır.

2. Aşamada, atmosfer çok daha fazla Venüs benzeridir ve neredeyse saf CO’dan oluşur.₂ gaz. Nispeten ince sıvı su bulutları vardır ve bc = 4’tür ve bulut tepeleri 80 km’dedir. Bu aşama için ekip, günümüz değerinden daha küçük olan 0,5 µm’lik bir reff kullandı. Atmosfer o kadar sıcaktı ki, güçlü bir yoğuşma oluşamadı ve parçacıkların büyümesini engelledi.

3. Aşamada, bulutlar kalın sülfürik asit çözeltisi bulutlarıdır. bc = 120 ve bulut tepeleri 65 km’de, çünkü atmosfer geniş bir irtifa aralığında doymuş buharın yoğunlaşmasına ve/veya birleşmesine izin verecek kadar soğuk.

4. Aşamada bulutlar, günümüzdeki Venüs’ün bulutlarına çok benzer. Bulutlar o kadar yoğun değil, a bc = 30 ve bulut tepe noktaları 65 km uzaklıkta.

Araştırmacılar polarize ışığa baktıklarından, gezegensel faz açısı sonuçları için kritik öneme sahip. Faz açısı, gözlemlenen bir nesneye gelen ışık ile nesneden yansıyan ışık arasındaki açıdır. Bu durumda, biz (gözlemci), dış yıldız ve dış gezegen arasındaki açıdır.

Makalelerinde, araştırmacılar çalışmalarını açıklamaya yardımcı olması için Alpha Centauri sistemindeki bir model gezegeni kullanıyorlar.

Peki ne buldular?

“Yansıtılan yıldız ışığının polarizasyon derecesi, gezegensel faz açısı ve dalga boyu ile toplam akıdan daha büyük farklılıklar gösterir” diye yazıyorlar. Görünür ışıkta, en büyük polarizasyon derecesi, su buharı bulutları içeren Dünya benzeri atmosferler içindir. Bunun nedeni kısmen Rayleigh saçılmasıdır.

NIR dalga boylarında, “Venüs benzeri bir CO₂ atmosfer ve ince su bulutları, küçük bulut damlacıkları tarafından Rayleigh benzeri saçılma nedeniyle en belirgin polarizasyon özelliklerini gösteriyor” diye yazıyor yazarlar.

Gökbilimcilerin dış gezegen atmosferlerini incelerken karşılaştıkları bir sorun, gözlemlerinin faz açısını kontrol edememeleridir. Bir gezegenin yörüngesinin yönü bunu belirler ve zamanla değişir. Bunu açıklamak için araştırmacılar, tüm modelleme verilerini, hangi gezegen modellerinin en yüksek mutlak kutuplaşma derecesine sahip olduğunu gösteren tek bir görüntüde birleştirdiler.

Araştırmacılar Venüs’ü dört evrimsel aşamada modellediler ve polaritenin atmosferik bileşim, parçacık boyutu ve faz açısı ile nasıl değiştiğini gösterdiler. Öyle görünüyor ki polarimetri ötegezegen çalışmalarında daha büyük bir rol oynayabilir. Zaten astronomide önemli bir araçtır ve kara delikleri, yıldızların etrafındaki gezegen oluşturan diskleri, gizli galaktik çekirdekleri ve diğer astronomik nesneleri incelemek için kullanılır.

Gökbilimcilerin emrinde çok sayıda polarimetre vardır. VLT üzerindeki SPHERE aleti ve La Silla’daki HARPS aleti, diğer birçok teleskopta olduğu gibi polarimetrelere sahiptir. Sorun şu ki, ötegezegenlerdeki kutup değişimlerini modelleyebilmemize rağmen, bu onların çok uzaklardan tespit edebileceğimiz kadar belirgin oldukları anlamına gelmiyor.

Yazarlar, “Mevcut polarimetreler, uzamsal olarak çözülmemiş karasal ötegezegenlerin olası evrimsel aşamalarını ayırt etmekten aciz görünüyor” diye yazıyor. Mevcut polarimetrelerimiz göreve uygun değil. “10’dan daha düşük gezegen-yıldız kontrastları elde edebilen bir teleskop/alet”⁹ faz açısının bir fonksiyonu olarak gezegenin çözülmüş kutuplaşma derecesinin büyük varyasyonunu gözlemleyebilmeli ve böylece bulutlarının benzersiz kutuplaşma imzalarına dayanarak bir dış-Dünya’yı bir dış-Venüs’ten ayırt edebilmelidir.”

Polarimetri astronomide daha güçlü bir araç haline geliyor. Yaklaşan ELT, yakın gelecekte dünyanın en güçlü optik ışık teleskobu olacak. Güçlü EPICS aracı bu işi yapabilir ve geleceğin uzay teleskopları da öyle olacaktır. “Ayrıca, ELT’de EPICS gibi araçlar ve HabEx ve LUVOIR gibi geleceğin uzay gözlemevlerindeki araçlar için konseptler, yaklaşık 10 kontrast elde etme vaadini taşıyor.¹⁰,” yazarlar yazıyor.

Otuz Metrelik Teleskobun önerdiği Gezegen Sistemleri Görüntüleyicisi de bu işi yapabilirdi. Ama bu ikinci nesil bir enstrüman ve ilk ışıkta mevcut olmayacak.

Mevcut polarimetrik araçlar henüz yeterince güçlü olmasa da, yazarlar polarimetrinin gerçekten Dünya benzeri gezegenler ile Venüs benzeri gezegenler arasındaki farkı söyleyebileceğine inanıyor. Sadece aşırı kontrastlı polarimetrelere ihtiyacımız var.

“Bu tür aşırı zıtlıklara ulaşmak, karasal tip gezegenleri doğrudan tespit etmeyi ve dış-Dünyalar ile dış-Venüsler arasında ayrım yapmak için polarimetri kullanmayı mümkün kılacaktır.”