Чи може JWST відрізнити «екзо-Землю» від «екзо-Венери»?

Станом на жовтень 2023 року астрономи виявили 5506 екзопланет, що обертаються навколо інших зірок. Це число щодня зростає, і астрономи сподіваються, серед іншого, знайти світи, схожі на Землю. Але чи впізнаємо ми одного, коли побачимо? Як ми зможемо відрізнити сад, схожий на Землю, від скороварки, схожої на Венеру, на відстані понад 40 світлових років? Чи витримає JWST цей виклик?

У статті, опублікованій у попередній формі на сервері arXiv, четверо дослідників використали симуляцію, щоб протестувати космічний телескоп. Вони виявили, що справді існують характерні сигнатури, які повинні допомогти нам розібрати екзоВенери від екзоЗемель, але є підступ (ми повернемося до цього).

Ця симуляція працювала так: дослідники розмістили шість планет, схожих на Землю, і шість планет, схожих на Венеру, на відстані 40 світлових років від нас, кожна з різними рівнями вуглекислого газу (CO₂), хмарного покриву та серпанку в їхній атмосфері. Змодельовані планети оберталися навколо зірки, ідентичної TRAPPIST-1.

У реальному світі TRAPPIST-1 є однією з найбільш багатообіцяючих систем, виявлених досі, в якій астрономи сподіваються знайти екзоЗемлю. На ньому зображений тьмяний червоний карлик (що робить спостереження за його планетами легшим завданням, ніж навколо яскраво-жовтої зірки, як наше Сонце). Система має сім скелястих світів, три-чотири з яких можуть лежати в зоні проживання зірки. JWST вже спостерігав за двома внутрішніми планетами й виявив, що вони є безплідними породами, більше схожими на Меркурій, ніж на Землю чи Венеру.

Під час моделювання орбіти тестових планет розташовувалися прямо на «межі теплиці-втікача»: відстані від зірки, де можлива та сама планетарна катастрофа, яка перетворила Венеру на пекло.

Автори націлили симуляцію JWST на планети, що відповідає можливостям інструменту NIRCSpec реального телескопа, який спостерігає за довжинами хвиль світла, що надходить із далеких світів. Різні сполуки в атмосфері проявляються у вигляді піків, візерунків і сплесків у спектрах, що дозволяє дослідникам побачити, які хімічні сполуки присутні.

Але дані не завжди є однозначними. Спектральні сигнатури одних молекул приховують сигнатури інших або імітують їх, ускладнюючи напевне знати, що ми дивимося.

«Венеринські хмари та серпанки можуть перешкоджати виявленню молекулярних видів або атмосфери взагалі», — пишуть автори.

Але це не означає неможливе, і ця модель мала допомогти визначити, що астрономи повинні шукати. Ось що вони знайшли:

По-перше, якщо ви хочете визначити, чи планета взагалі має атмосферу, незалежно від того, схожа вона на Землю чи Венеру, найкращим вибором буде пошукати вуглекислий газ (CO2). Він має сигнал, який легко виявити, і залишається видимим як для планет із ясним небом, так і для планет із серпанком і хмарами.

Але CO₂ менш корисний для розрізнення Землі та Венери, оскільки ознаки CO₂ збігаються як з водою, так і з метаном, що вносить плутанину в дані. Є лише одна спектральна особливість, яка чітко проявляється на планеті, схожій на Венеру, а не на планеті, схожій на Землю: діоксид сірки (SO₂). SO₂ реагує з водяною парою, тому, якщо він присутній, це виключає вологу планету, схожу на Землю, і підтверджує суху планету, схожу на Венеру.

Ось у чому заковика. У реальному світі на Венері насправді не так багато SO₂. УФ-випромінювання сонця позбавило його. Але надія все ще є. Навколо червоного карлика, схожого на TRAPPIST-1, SO₂ існував би набагато довше, що зробило б можливим виявлення SO₂ у такому сценарії.

«Зменшене УФ-випромінювання від TRAPPIST-1 дозволяє SO₂ мати подовжений час життя в атмосфері екзоВенери, що збільшує можливість виявлення SO₂», — стверджують автори.

Що стосується планети, схожої на Землю, то найкраще шукати сигнатуру – метан. Є особливості поглинання метану, які не проявляються на Венері, і їх можна чітко відрізнити від CO₂. Крім того, якщо метан супроводжується киснем, це може бути доказом життя.

Дослідники також оцінили, скільки часу буде потрібно для спостереження, щоб JWST побачив кожну з різних хімічних сигнатур, і підтвердили, що це можливо протягом розумного періоду часу. Що найбільше можна винести з цих нових моделей? «Ймовірно, буде легше підтвердити екзоЗемлю, ніж підтвердити екзоВенеру», – підсумовують автори. Джерело