ในปี 2021 หอสังเกตการณ์ยุคต่อไปของนาซ่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (JWST) จะใช้พื้นที่ เมื่อเปิดใช้งานแล้วภารกิจหลักของเรือธงนี้จะไปรับตำแหน่งของกล้องโทรทรรศน์อวกาศอื่น ๆ ฮับเบิลเคปเลอร์และ สปิตเซอร์ - ออกไป ซึ่งหมายความว่านอกเหนือจากการสำรวจความลึกลับของจักรวาลที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแล้วมันยังจะค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบที่อาศัยอยู่ได้และพยายามที่จะอธิบายลักษณะของดาวเคราะห์
นี่เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่ทำให้ JWST แตกต่างจากรุ่นก่อน ระหว่างความไวแสงสูงและความสามารถในการถ่ายภาพอินฟราเรดมันจะสามารถรวบรวมข้อมูลบนชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบที่ไม่เคยมีมาก่อน อย่างไรก็ตามเมื่อเร็ว ๆ นี้การศึกษาที่สนับสนุนโดยองค์การนาซ่าแสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศหนาแน่นอาจมีเมฆปกคลุมอยู่เป็นจำนวนมากซึ่งอาจทำให้การรวบรวมข้อมูลที่สำคัญที่สุดบางอย่างมีความซับซ้อน
เป็นเวลาหลายปีที่นักดาราศาสตร์ได้ใช้ Transit Photometry (aka. Transit Method) เพื่อตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบโดยการตรวจสอบดาวที่อยู่ห่างไกลเพื่อหาจุดที่สว่าง วิธีนี้ได้พิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในการกำหนดองค์ประกอบบรรยากาศของดาวเคราะห์บางดวง เมื่อวัตถุเหล่านี้ผ่านหน้าดาวของพวกมันแสงจะผ่านชั้นบรรยากาศของพวกมันสเปกตรัมจะถูกวิเคราะห์เพื่อดูว่ามีองค์ประกอบทางเคมีอะไรบ้าง
จนถึงตอนนี้วิธีนี้มีประโยชน์เมื่อสังเกตดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ (ยักษ์ก๊าซและ "ซุปเปอร์จูปิเตอร์") ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ในระยะทางไกล อย่างไรก็ตามการสำรวจดาวเคราะห์หินขนาดเล็กกว่า (เช่น“ คล้ายโลก”) ที่โคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นซึ่งจะทำให้พวกมันอยู่ในเขตเอื้ออาศัยของดาวได้เกินขีดความสามารถของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ
ด้วยเหตุนี้ชุมชนทางดาราศาสตร์จึงตั้งตารอจนถึงวันที่จะมีกล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไปเช่น JWST โดยการตรวจสอบสเปกตรัมของแสงที่ผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หิน (วิธีการที่เรียกว่าสเปคโทรสโกปี) นักวิทยาศาสตร์จะสามารถมองหาตัวบ่งชี้ปากอ่าวของก๊าซออกซิเจนคาร์บอนไดออกไซด์มีเทนและสัญญาณอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับชีวิต “)
องค์ประกอบที่สำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับชีวิต (เท่าที่เรารู้) คือน้ำดังนั้นลายเซ็นของไอน้ำในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์จึงเป็นเป้าหมายสำคัญสำหรับการสำรวจในอนาคต แต่ในการศึกษาใหม่นำโดย Thaddeus Komacek เพื่อนหลังปริญญาเอกกับภาควิชาธรณีฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโกเป็นไปได้ว่าดาวเคราะห์ที่มีผิวน้ำที่อุดมสมบูรณ์จะมีเมฆมากมาย (อนุภาคของน้ำแข็งที่กลั่นตัว) ในบรรยากาศ .
เพื่อการศึกษาครั้งนี้ Komacek และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ตรวจสอบว่าเมฆเหล่านี้จะเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับความพยายามในการตรวจจับไอน้ำในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบหรือไม่ เนื่องจากจำนวนดาวเคราะห์นอกระบบที่เป็นหินซึ่งถูกค้นพบภายในเขตเอื้ออาศัยของดาวประเภท M (ดาวแคระแดง) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเช่น Proxima b ดาวแคระแดงใกล้เคียงจะเป็นจุดสนใจหลักของการสำรวจในอนาคต
ตามที่ Komack อธิบายให้นิตยสารอวกาศผ่านทางอีเมล์ดาวเคราะห์ที่ถูกล็อกเป็นวงโคจรที่ดาวแคระแดงโคจรรอบดาวนั้นเหมาะที่จะศึกษาเกี่ยวกับการส่งสเปคโทรส - และด้วยเหตุผลหลายประการ:
“ การเปลี่ยนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวแคระแดงเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจมากกว่าดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ที่โคจรรอบเนื่องจากอัตราส่วนของขนาดของดาวเคราะห์ต่อขนาดของดาวนั้นใหญ่กว่า ขนาดของสัญญาณในการส่งสเกลเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสของอัตราส่วนของขนาดดาวเคราะห์ต่อขนาดของดาวดังนั้นจึงมีสัญญาณสำคัญที่ส่งไปยังดาวฤกษ์ขนาดเล็กกว่าโลก
“ อีกเหตุผลหนึ่งที่ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวแคระแดงเป็นที่ชื่นชอบมากกว่านั้นก็เพราะ 'โซนที่อยู่อาศัย' หรือที่เราคาดว่าจะมีน้ำของเหลวบนพื้นผิวของดาวเคราะห์จึงเข้าใกล้ดาวมาก ... เพราะสิ่งเหล่านี้ วงโคจรของดาวเคราะห์หินที่อาศัยอยู่ใกล้หรือโคจรรอบดาวแคระแดงจะส่งผ่านดาวฤกษ์ของพวกเขาบ่อยขึ้นซึ่งช่วยให้ผู้สังเกตการณ์ทำการสำรวจซ้ำหลายครั้ง“
ด้วยความคิดนี้ Komacek และทีมของเขาจึงใช้สองแบบร่วมกันในการสร้างสเปกตรัมการส่งสัญญาณสังเคราะห์ของดาวเคราะห์ที่ถูกล็อคไว้รอบดาวฤกษ์ประเภท M สิ่งแรกคือ ExoCAM ที่พัฒนาโดยดร. Eric Wolf แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโดสำหรับห้องปฏิบัติการฟิสิกส์บรรยากาศและอวกาศ (LASP) รูปแบบระบบ Earth Community System (CESM) ที่ใช้ในการจำลองสภาพอากาศของโลกซึ่งได้รับการดัดแปลงเพื่อศึกษาบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ
ด้วยการใช้แบบจำลอง ExoCAM พวกเขาจำลองสภาพภูมิอากาศของดาวเคราะห์หินที่โคจรรอบดาวแคระแดง ข้อสองพวกเขาใช้เครื่องกำเนิดดาวเคราะห์ที่พัฒนาโดยศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของนาซ่าเพื่อจำลองสเปกตรัมการส่งสัญญาณที่ JWST จะตรวจจับจากดาวเคราะห์จำลองของพวกเขา อย่างที่ Komacek อธิบายไว้:
“ การจำลอง ExoCAM เหล่านี้คำนวณการกระจายแบบสามมิติของอุณหภูมิอัตราส่วนการผสมไอน้ำและอนุภาคน้ำเมฆและน้ำแข็ง เราพบว่าดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวแคระแดงนั้นมีเมฆมากมากกว่าโลก นี่เป็นเพราะทั้งวันของพวกเขามีสภาพภูมิอากาศคล้ายกับเขตร้อนของโลกดังนั้นไอน้ำจึงลอยอยู่ในความกดดันต่ำได้ง่ายซึ่งมันสามารถควบแน่นและก่อตัวเป็นเมฆที่ปกคลุมตลอดทั้งวันของโลก ...
“ PSG ให้ผลลัพธ์สำหรับขนาดที่ชัดเจนของดาวเคราะห์ในการส่งผ่านเป็นฟังก์ชั่นของความยาวคลื่นพร้อมกับความไม่แน่นอน โดยการดูว่าขนาดของสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรกับความยาวคลื่นเราสามารถกำหนดขนาดของคุณสมบัติของไอน้ำและเปรียบเทียบกับระดับความไม่แน่นอนได้”
ระหว่างแบบจำลองทั้งสองนี้ทีมสามารถจำลองดาวเคราะห์ที่มีและไม่มีเมฆปกคลุมและสิ่งที่ JWST จะสามารถตรวจจับได้เป็นผล ในกรณีของอดีตพวกเขาพบว่าไอน้ำในบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบจะตรวจพบได้อย่างแน่นอน พวกเขายังพบว่าสิ่งนี้สามารถทำได้สำหรับดาวเคราะห์นอกระบบขนาดโลกในเวลาเพียงสิบหรือน้อยกว่า
“ [W] ไก่เรารวมผลกระทบของเมฆจำนวนการเปลี่ยนผ่าน JWST จำเป็นต้องสังเกตเพื่อตรวจจับไอน้ำที่เพิ่มขึ้นจากปัจจัยหนึ่งถึงสิบเป็นร้อย” Komacek กล่าว “ มีข้อ จำกัด ตามธรรมชาติเกี่ยวกับจำนวนการผ่านหน้า JWST ที่สามารถสังเกตเห็นดาวเคราะห์ที่กำหนดได้เนื่องจาก JWST มีภารกิจอายุการใช้งานที่กำหนดไว้ 5 ปีและการสังเกตการส่งสัญญาณสามารถทำได้ก็ต่อเมื่อดาวเคราะห์ผ่านระหว่างเราและดาวฤกษ์แม่เท่านั้น”
พวกเขายังพบว่าผลกระทบของการปกคลุมของเมฆนั้นแข็งแกร่งมากโดยเฉพาะกับดาวเคราะห์ที่หมุนรอบตัวช้ากว่ารอบดาวแคระแดง โดยทั่วไปดาวเคราะห์ที่มีระยะเวลาการโคจรนานกว่าประมาณ 12 วันจะได้สัมผัสกับการก่อตัวของเมฆในยุคกลาง “ เราพบว่าสำหรับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์เช่น TRAPPIST-1 (เป็นเป้าหมายที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด) JWST จะไม่สามารถสังเกตเห็นการผ่านหน้าในระดับที่เพียงพอเพื่อตรวจจับไอน้ำได้” Komacek กล่าว
ผลลัพธ์เหล่านี้คล้ายกับที่นักวิจัยคนอื่น ๆ ระบุไว้เขาเสริม ปีที่แล้วการศึกษานำโดยนักวิจัยที่ NASA ก็อดดาร์ดแสดงให้เห็นว่าการปกคลุมของเมฆจะทำให้ไอน้ำไม่สามารถตรวจจับได้ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ TRAPPIST-1 เมื่อต้นเดือนที่ผ่านมาการศึกษาสนับสนุนโดยนาซาก็อดดาร์ดอีกครั้งแสดงให้เห็นว่าเมฆจะลดความกว้างของไอน้ำจนถึงจุดที่ JWST จะกำจัดพวกมันเป็นเสียงรบกวน
แต่ก่อนที่เราจะไปคิดว่ามันเป็นข่าวร้ายทั้งหมดการศึกษาครั้งนี้ได้นำเสนอคำแนะนำสำหรับข้อ จำกัด เหล่านี้ที่จะเอาชนะ ตัวอย่างเช่นหากเวลาของภารกิจเป็นปัจจัยภารกิจ JWST สามารถขยายได้ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จะมีเวลามากขึ้นในการรวบรวมข้อมูล นาซ่าหวังว่าจะมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศเปิดใช้งานเป็นเวลาสิบปีดังนั้นการขยายภารกิจจึงเป็นไปได้
ในเวลาเดียวกันเกณฑ์การส่งสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่ต่ำลงสำหรับการตรวจจับสามารถอนุญาตให้มีสัญญาณมากขึ้นที่จะหยิบออกมาจากสเปกตรัม (แม้ว่าจะหมายถึงผลบวกที่ผิดพลาดมากขึ้นเช่นกัน) นอกจากนี้ Komacek และเพื่อนร่วมงานของเขาแน่ใจว่าจะชี้ให้เห็นว่าผลลัพธ์เหล่านี้ใช้กับคุณลักษณะที่อยู่ด้านล่างดาดฟ้าเมฆบนดาวเคราะห์นอกระบบ:
“ เนื่องจากไอน้ำส่วนใหญ่ติดอยู่ต่ำกว่าระดับน้ำในเมฆการครอบคลุมของเมฆที่แข็งแกร่งบนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวแคระแดงทำให้มันยากที่จะตรวจจับลักษณะของน้ำอย่างไม่น่าเชื่อ ที่สำคัญคาดว่า JWST จะยังคงสามารถ จำกัด การมีอยู่ขององค์ประกอบสำคัญในบรรยากาศเช่นคาร์บอนไดออกไซด์และมีเธนในเวลาเพียงหนึ่งโหลเท่านั้น
อีกครั้งผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับการสนับสนุนจากการวิจัยก่อนหน้า เมื่อปีที่แล้วการศึกษาจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้ตรวจสอบการตรวจจับและลักษณะของดาวเคราะห์ TRAPPIST-1 และพบว่าเมฆไม่น่าจะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการตรวจจับคุณสมบัติของออกซิเจนและโอโซน - ชีวประวัติสำคัญสองประการที่เกี่ยวข้องกับ การปรากฏตัวของชีวิต
ดังนั้นจริงๆแล้ว JWST อาจมีปัญหาในการตรวจจับไอน้ำในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบอย่างน้อยก็ในที่ที่มีเมฆปกคลุมหนาแน่น สำหรับชีวประวัติอื่น JWST ไม่ควรมีปัญหาในการดมกลิ่นพวกมันเมฆหรือไม่มีเมฆ คาดว่าจะมีสิ่งดีๆมาจากเวบบ์ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ทรงพลังและซับซ้อนที่สุดของ NASA จนถึงปัจจุบัน และจะเริ่มในปีหน้า!
