Nel 2021, l'osservatorio di prossima generazione della NASA, il James Webb Space Telescope (JWST), porterà nello spazio. Una volta operativa, questa missione di punta riprenderà dove altri telescopi spaziali - come Hubble, Keplero, e Spitzer - lasciato fuori. Ciò significa che oltre a indagare su alcuni dei più grandi misteri cosmici, cercherà anche esopianeti potenzialmente abitabili e tenterà di caratterizzare le loro atmosfere.
Questo fa parte di ciò che distingue il JWST dai suoi predecessori. Tra la sua elevata sensibilità e le capacità di imaging a infrarossi, sarà in grado di raccogliere dati su atmosfere esopianite come mai prima d'ora. Tuttavia, come recentemente dimostrato da uno studio supportato dalla NASA, i pianeti con atmosfere dense potrebbero anche avere una copertura nuvolosa estesa, il che potrebbe complicare i tentativi di raccogliere alcuni dei dati più importanti di tutti.
Per anni, gli astronomi hanno utilizzato la fotometria di transito (alias il metodo di transito) per rilevare gli esopianeti monitorando le stelle distanti per cali di luminosità. Questo metodo si è anche rivelato utile nel determinare la composizione atmosferica di alcuni pianeti. Mentre questi corpi passano davanti alle loro stelle, la luce attraversa la loro atmosfera, i cui spettri vengono quindi analizzati per vedere quali elementi chimici ci sono.
Finora, questo metodo è stato utile quando si osservano enormi pianeti (giganti gassosi e "Super Giove") che orbitano attorno ai loro soli a grandi distanze. Tuttavia, osservare pianeti rocciosi più piccoli (cioè "simili alla Terra") che orbitano più vicino ai loro soli - il che li metterebbe nella zona abitabile della stella - è andato oltre le capacità dei telescopi spaziali.
Per questo motivo, la comunità astronomica non vede l'ora che siano disponibili i telescopi di prossima generazione come il JWST. Esaminando gli spettri di luce che attraversano l'atmosfera di un pianeta roccioso (un metodo noto come spettroscopia di trasmissione), gli scienziati saranno in grado di cercare gli indicatori rivelatori di gas ossigeno, anidride carbonica, metano e altri segni associati alla vita (alias "biosignature" “).
Un altro elemento critico per la vita (come lo conosciamo) è l'acqua, quindi le firme del vapore acqueo nell'atmosfera di un pianeta sono un obiettivo primario per i sondaggi futuri. Ma in un nuovo studio condotto da Thaddeus Komacek, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze Geofisiche dell'Università di Chicago, è possibile che qualsiasi pianeta con abbondanti acque superficiali avrà anche abbondanti nuvole (particelle di ghiaccio condensante) nella sua atmosfera .
Per motivi di questo studio, Komacek e i suoi colleghi hanno esaminato se queste nuvole avrebbero interferito con i tentativi di rilevare il vapore acqueo nelle atmosfere degli esopianeti terrestri. A causa del numero di esopianeti rocciosi che sono stati scoperti nelle zone abitabili delle stelle di tipo M (nana rossa) negli ultimi anni - come Proxima b - le nane rosse vicine saranno al centro delle indagini future.
Come Komack ha spiegato a Space Magazine via e-mail, i pianeti bloccati in ordine che orbitano attorno alle stelle nane rosse sono adatti agli studi che coinvolgono la spettroscopia di trasmissione - e per una serie di ragioni:
“I pianeti in transito in orbita attorno alle stelle nane rosse sono obiettivi più favorevoli di quelli in orbita attorno alle stelle simili al Sole perché il rapporto tra le dimensioni del pianeta e le dimensioni della stella è maggiore. La dimensione del segnale nelle trasmissioni si ridimensiona come il quadrato del rapporto tra la dimensione del pianeta e la dimensione della stella, quindi c'è un significativo aumento del segnale che va verso stelle più piccole della Terra.
"Un'altra ragione per cui i pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse sono più favorevoli da osservare è perché la" zona abitabile ", o dove ci aspettiamo che ci sia acqua liquida sulla superficie del pianeta, è molto più vicina alla stella ... A causa di questi orbite più vicine, pianeti rocciosi abitabili che orbitano attorno a stelle nane rosse transiteranno la loro stella molto più spesso, il che consente agli osservatori di fare molte osservazioni ripetute.“
Con questo in mente, Komacek e il suo team hanno impiegato due modelli insieme per generare spettri di trasmissione sintetici di pianeti bloccati in ordine attorno alle stelle di tipo M. Il primo è stato ExoCAM sviluppato dal Dr. Eric Wolf del Laboratorio di fisica atmosferica e spaziale (LASP) dell'Università del Colorado, un modello del sistema terrestre comunitario (CESM) utilizzato per simulare il clima terrestre, che è stato adattato per studiare le atmosfere degli esopianeti.
Usando il modello ExoCAM, hanno simulato il clima di pianeti rocciosi in orbita attorno a stelle nane rosse. In secondo luogo, hanno impiegato il generatore di spettro planetario sviluppato dal Goddard Space Flight Center della NASA per simulare lo spettro di trasmissione che il JWST avrebbe rilevato dal loro pianeta simulato. Come ha spiegato Komacek:
“Queste simulazioni ExoCAM hanno calcolato le distribuzioni tridimensionali di temperatura, rapporto di miscelazione del vapore acqueo e particelle di nuvole di acqua liquida e di ghiaccio. Abbiamo scoperto che i pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse sono molto più nuvolosi della Terra. Questo perché la loro intera giornata ha un clima simile ai tropici della Terra, e quindi il vapore acqueo viene facilmente loftato a basse pressioni dove può condensare e formare nuvole che coprono gran parte della giornata del pianeta ...
“Il PSG ha dato risultati per la dimensione apparente del pianeta in trasmissione in funzione della lunghezza d'onda, insieme all'incertezza. Osservando come le dimensioni del segnale sono cambiate con la lunghezza d'onda, siamo stati in grado di determinare le dimensioni delle caratteristiche del vapore acqueo e confrontarle con il livello di incertezza. "
Tra questi due modelli, il team è stato in grado di simulare pianeti con e senza copertura nuvolosa e ciò che il JWST sarebbe stato in grado di rilevare di conseguenza. Nel primo caso, hanno scoperto che il vapore acqueo nell'atmosfera dell'esopianeta sarebbe quasi sicuramente rilevabile. Hanno anche scoperto che ciò potrebbe essere fatto per esopianeti delle dimensioni della Terra in soli dieci transiti o meno.
"[Quando] abbiamo incluso gli effetti delle nuvole, il numero di transiti che JWST doveva osservare per rilevare il vapore acqueo è aumentato di un fattore da dieci a cento", ha affermato Komacek. "Esiste un limite naturale al numero di transiti che JWST può osservare per un dato pianeta perché JWST ha una durata nominale della missione nominale di 5 anni e l'osservazione della trasmissione può essere presa solo quando il pianeta passa tra noi e la sua stella ospite."
Hanno anche scoperto che l'impatto della copertura nuvolosa è stato particolarmente forte con i pianeti a rotazione più lenta intorno alle nane rosse. Fondamentalmente, i pianeti che hanno periodi orbitali più lunghi di circa 12 giorni subirebbero una maggiore formazione di nuvole sui loro lati. "Abbiamo scoperto che per i pianeti in orbita attorno a una stella come TRAPPIST-1 (l'obiettivo più favorevole conosciuto), JWST non sarebbe in grado di osservare abbastanza transiti per rilevare il vapore acqueo", ha detto Komacek.
Questi risultati sono simili a quelli che altri ricercatori hanno notato, ha aggiunto. L'anno scorso, uno studio condotto da ricercatori della NASA Goddard ha mostrato come la copertura nuvolosa renderebbe il vapore acqueo non rilevabile nelle atmosfere dei pianeti TRAPPIST-1. All'inizio di questo mese, un altro studio supportato da NASA Goddard ha mostrato come le nuvole abbasseranno l'ampiezza del vapore acqueo al punto che il JWST li eliminerebbe come rumore di fondo.
Ma prima di pensare che siano tutte brutte notizie, questo studio presenta alcuni suggerimenti su come superare questi limiti. Ad esempio, se il tempo di missione è un fattore, la missione JWST può essere estesa in modo che gli scienziati abbiano più tempo per raccogliere dati. La NASA spera già di mettere in funzione il telescopio spaziale per dieci anni, quindi un'estensione della missione è già una possibilità.
Allo stesso tempo, una soglia segnale-rumore abbassata per il rilevamento potrebbe consentire di raccogliere più segnali dagli spettri (sebbene ciò significherebbe anche più falsi positivi). Inoltre, Komacek e i suoi colleghi erano sicuri di sottolineare che questi risultati si applicano solo alle funzionalità che si trovano sotto il cloud deck sugli esopianeti:
“Poiché il vapore acqueo è per lo più intrappolato al di sotto del livello della nuvola d'acqua, la forte copertura nuvolosa sui pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse rende incredibilmente difficile rilevare le caratteristiche dell'acqua. È importante sottolineare che si prevede che JWST sarà ancora in grado di limitare la presenza di componenti atmosferici chiave come l'anidride carbonica e il metano in solo una dozzina di transiti circa ”.
Ancora una volta, questi risultati sono supportati da ricerche precedenti. L'anno scorso, uno studio dell'Università di Washington ha esaminato la rilevabilità e le caratteristiche dei pianeti TRAPPIST-1 e ha scoperto che è improbabile che le nuvole abbiano un impatto significativo sulla rilevabilità delle caratteristiche di ossigeno e ozono: due biosignature chiave associate alla presenza di vita.
Quindi, davvero, il JWST potrebbe avere difficoltà a rilevare il vapore acqueo in atmosfere di esopianeti, almeno per quanto riguarda la densa copertura nuvolosa. Per altre biosignature, il JWST non dovrebbe avere problemi ad annusarle, nuvole o nuvole. Ci aspettiamo grandi cose da Webb, il telescopio spaziale più potente e sofisticato della NASA fino ad oggi. E tutto inizierà l'anno prossimo!
