Pada tahun 2021, observatorium generasi penerus NASA, the James Webb Space Telescope (JWST), akan mengambil ruang. Setelah beroperasi, misi utama ini akan mengambil di mana teleskop ruang angkasa lainnya suka Hubble, Kepler, dan Spitzer - tinggalkan. Ini berarti bahwa selain menyelidiki beberapa misteri kosmik terbesar, ia juga akan mencari planet ekstrasurya yang berpotensi dihuni dan berusaha untuk mengkarakterisasi atmosfernya.
Ini adalah bagian dari apa yang membedakan JWST dari pendahulunya. Antara sensitivitas tinggi dan kemampuan pencitraan inframerah, itu akan dapat mengumpulkan data pada atmosfer planet ekstrasurya tidak seperti sebelumnya. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian yang didukung NASA baru-baru ini, planet-planet yang memiliki atmosfer padat mungkin juga memiliki tutupan awan yang luas, yang dapat mempersulit upaya untuk mengumpulkan beberapa data terpenting dari semuanya.
Selama bertahun-tahun, para astronom telah menggunakan Transit Fotometri (alias. Metode Transit) untuk mendeteksi planet ekstrasurya dengan memantau bintang-bintang jauh untuk penurunan kecerahan. Metode ini juga terbukti bermanfaat dalam menentukan komposisi atmosfer beberapa planet. Ketika benda-benda ini lewat di depan bintang-bintang mereka, cahaya melewati atmosfer mereka, spektrum yang kemudian dianalisis untuk melihat unsur-unsur kimia apa yang ada di sana.
Sejauh ini, metode ini telah berguna ketika mengamati planet-planet besar (gas raksasa dan "Super Jupiters") yang mengorbit matahari mereka pada jarak yang sangat jauh. Namun, mengamati planet-planet berbatu yang lebih kecil (mis. "Mirip Bumi") yang mengorbit lebih dekat ke matahari mereka - yang akan menempatkan mereka di dalam zona layak huni bintang - telah melampaui kemampuan teleskop ruang angkasa.
Untuk alasan ini, komunitas astronomi telah menantikan hari ketika teleskop generasi mendatang seperti JWST akan tersedia. Dengan memeriksa spektrum cahaya yang melewati atmosfer planet berbatu (metode yang dikenal sebagai transmisi spektroskopi), para ilmuwan akan dapat melihat indikator gas oksigen, karbon dioksida, metana, dan tanda-tanda lain yang terkait dengan kehidupan (alias "biosignatures"). ").
Elemen penting lain untuk kehidupan (seperti yang kita tahu) adalah air, jadi tanda tangan uap air di atmosfer planet adalah target utama untuk survei di masa depan. Tetapi dalam sebuah studi baru yang dipimpin oleh Thaddeus Komacek, seorang rekan postdoctoral dengan Departemen Ilmu Geofisika di University of Chicago, ada kemungkinan bahwa setiap planet dengan air permukaan yang berlimpah juga akan memiliki awan yang melimpah (partikel es kondensasi) di atmosfernya. .
Demi penelitian ini, Komacek dan rekan-rekannya memeriksa apakah awan-awan ini akan mengganggu upaya untuk mendeteksi uap air di atmosfer planet ekstrasurya. Karena banyaknya exoplanet berbatu yang telah ditemukan di zona layak huni bintang tipe M (kurcaci merah) dalam beberapa tahun terakhir - seperti Proxima b - kurcaci merah tetangga akan menjadi fokus utama survei di masa depan.
Seperti yang dijelaskan Komack kepada Space Magazine melalui email, planet-planet yang terkunci tidally yang mengorbit bintang katai merah sangat cocok untuk penelitian yang melibatkan spektroskopi transmisi - dan untuk sejumlah alasan:
"Transit planet yang mengorbit bintang katai merah adalah target yang lebih baik daripada bintang yang mengorbit seperti Matahari karena rasio ukuran planet ini dengan ukuran bintang lebih besar. Ukuran sinyal dalam skala transmisi sebagai kuadrat dari rasio ukuran planet terhadap ukuran bintang, jadi ada dorongan signifikan pada sinyal yang menuju bintang yang lebih kecil daripada Bumi.
"Alasan lain mengapa planet-planet yang mengorbit bintang katai merah lebih disukai untuk diamati adalah karena 'zona layak huni', atau di mana kita berharap ada air cair di permukaan planet ini, lebih dekat ke bintang ... Karena ini mengorbit lebih dekat, planet berbatu layak huni yang mengorbit bintang katai merah akan transit bintang mereka jauh lebih sering, yang memungkinkan pengamat untuk mengambil banyak pengamatan berulang.“
Dengan pemikiran ini, Komacek dan timnya menggunakan dua model bersamaan untuk menghasilkan spektrum transmisi sintetik dari planet yang terkunci secara terkunci di sekitar bintang tipe-M. Yang pertama adalah ExoCAM yang dikembangkan oleh Dr. Eric Wolf dari Laboratorium Universitas Colorado untuk Fisika Atmosfer dan Antariksa (LASP), Model Sistem Bumi Masyarakat (CESM) yang digunakan untuk mensimulasikan iklim Bumi, yang telah diadaptasi untuk mempelajari atmosfer planet ekstrasurya.
Menggunakan model ExoCAM, mereka mensimulasikan iklim planet berbatu yang mengorbit bintang katai merah. Kedua, mereka menggunakan Planetary Spectrum Generator yang dikembangkan oleh Goddard Space Flight Center milik NASA untuk mensimulasikan spektrum transmisi yang akan dideteksi JWST dari planet simulasi mereka. Seperti yang dijelaskan Komacek:
“Simulasi ExoCAM ini menghitung distribusi tiga dimensi suhu, rasio pencampuran uap air, dan partikel awan air cair dan es. Kami menemukan bahwa planet-planet yang mengorbit bintang katai merah jauh lebih gelap daripada Bumi. Ini karena seluruh waktu siang hari mereka memiliki iklim yang mirip dengan daerah tropis Bumi, dan uap air dengan mudah terangkat ke tekanan rendah di mana ia dapat mengembun dan membentuk awan yang menutupi sebagian besar sisi hari planet ...
“PSG memberikan hasil untuk ukuran nyata planet dalam transmisi sebagai fungsi panjang gelombang, bersama dengan ketidakpastian. Dengan melihat bagaimana ukuran sinyal berubah dengan panjang gelombang, kami dapat menentukan ukuran fitur uap air dan membandingkannya dengan tingkat ketidakpastian. "
Di antara kedua model ini, tim dapat mensimulasikan planet dengan dan tanpa tutupan awan, dan apa yang JWST akan dapat deteksi sebagai hasilnya. Dalam kasus yang pertama, mereka menemukan bahwa uap air di atmosfer planet ekstrasurya hampir pasti akan terdeteksi. Mereka juga menemukan bahwa ini dapat dilakukan untuk exoplanet seukuran Bumi hanya dalam sepuluh transit atau kurang.
"Ketika kita memasukkan efek awan, jumlah transit yang perlu diamati JWST untuk mendeteksi uap air meningkat dengan faktor sepuluh hingga seratus," kata Komacek. "Ada batas alami pada berapa banyak transit yang dapat diamati JWST untuk planet tertentu karena JWST memiliki masa hidup misi nominal yang ditetapkan selama 5 tahun dan pengamatan transmisi hanya dapat diambil ketika planet melewati antara kita dan bintang inangnya."
Mereka juga menemukan bahwa dampak tutupan awan sangat kuat dengan planet-planet yang berputar lebih lambat di sekitar katai merah. Pada dasarnya, planet-planet yang memiliki periode orbit lebih lama dari sekitar 12 hari akan mengalami lebih banyak pembentukan awan di siang hari mereka. "Kami menemukan bahwa untuk planet yang mengorbit bintang seperti TRAPPIST-1 (target paling menguntungkan yang diketahui), JWST tidak akan dapat mengamati cukup transit untuk mendeteksi uap air," kata Komacek.
Hasil ini mirip dengan apa yang dicatat oleh peneliti lain, ia menambahkan. Tahun lalu, sebuah studi yang dipimpin oleh para peneliti di NASA Goddard menunjukkan bagaimana tutupan awan akan membuat uap air tidak terdeteksi di atmosfer planet TRAPPIST-1. Awal bulan ini, studi lain yang didukung NASA Goddard menunjukkan bagaimana awan akan menurunkan amplitudo uap air ke titik bahwa JWST akan menghilangkannya sebagai kebisingan latar belakang.
Tetapi sebelum kita berpikir bahwa itu semua adalah berita buruk, penelitian ini menyajikan beberapa saran tentang bagaimana keterbatasan ini dapat diatasi. Misalnya, jika waktu misi adalah faktor, misi JWST dapat diperpanjang sehingga para ilmuwan akan memiliki lebih banyak waktu untuk mengumpulkan data. NASA sudah berharap untuk memiliki teleskop ruang angkasa yang beroperasi selama sepuluh tahun, jadi perluasan misi sudah dimungkinkan.
Pada saat yang sama, ambang sinyal-to-noise yang lebih rendah untuk deteksi dapat memungkinkan lebih banyak sinyal untuk dikeluarkan dari spektrum (meskipun itu juga berarti lebih banyak kesalahan positif). Selain itu, Komacek dan rekan-rekannya yakin untuk menunjukkan bahwa hasil ini hanya berlaku untuk fitur yang berada di bawah cloud deck pada exoplanet:
“Karena uap air sebagian besar terperangkap di bawah permukaan awan air, cakupan awan yang kuat di planet-planet yang mengorbit bintang katai merah membuatnya sangat sulit untuk mendeteksi fitur air. Yang penting, diharapkan JWST masih akan dapat membatasi kehadiran konstituen atmosfer utama seperti karbon dioksida dan metana hanya dalam selusin transit. ”
Sekali lagi, hasil ini didukung oleh penelitian sebelumnya. Tahun lalu, sebuah studi dari University of Washington meneliti kemampuan pendeteksian dan karakteristik planet TRAPPIST-1 dan menemukan bahwa awan tidak mungkin memiliki dampak yang signifikan pada kemampuan mendeteksi fitur oksigen dan ozon - dua biosignatures kunci yang terkait dengan kehadiran kehidupan.
Jadi sungguh, JWST mungkin hanya mengalami kesulitan mendeteksi uap air di atmosfer planet ekstrasurya, setidaknya di mana tutupan awan tebal yang bersangkutan. Untuk biosignatures lain, JWST seharusnya tidak kesulitan mengendusnya, awan atau tidak ada awan. Hal-hal besar diharapkan berasal dari Webb, teleskop luar angkasa NASA yang paling kuat dan canggih hingga saat ini. Dan semuanya akan dimulai tahun depan!
