Космический телескоп «Джеймс Уэбб» показывает Вселенную с впечатляющей, беспрецедентной четкостью. Сверхострое инфракрасное зрение обсерватории прорезает космическую пыль, чтобы осветить некоторые из самых ранних структур во Вселенной, скрытые звездные ясли и вращающиеся галактики, которые находятся в сотнях миллионов световых лет от нас.
Какие задачи у «Уэбба»?
Кроме того, «Уэбб» получит наиболее полное представление об объектах Млечного Пути, а именно о некоторых из 5 000 планет, обнаруженных в Галактике. Астрономы используют точность анализа света телескопа, чтобы расшифровать атмосферу, окружающую некоторые из этих близлежащих миров. Свойства их атмосфер станут ключом к пониманию того, как сформировалась экзопланета и есть ли на ней признаки жизни.
В чем проблема?
Сотрудники Массачусетского технологического института провели новое исследование. Ученые предполагают, что инструменты, которые астрономы обычно используют для декодирования световых сигналов, возможно, недостаточно хороши для точной интерпретации данных нового телескопа. В частности, opacity models (модели непрозрачности) — инструменты, которые моделируют взаимодействие света с материей в зависимости от ее свойств — возможно, требуют значительной перенастройки, чтобы соответствовать точности данных «Уэбба».
Если эти модели не доработаны, то свойства планетарных атмосфер, такие как их температура, давление и элементный состав, могут отличаться на порядок. Это значит, что ученые фатально ошибаются в расчетах.
Существует научно значимая разница между содержанием такого соединения, как вода, в количестве 5% и 25%, которое современные модели не могут различить. Модель, которую ученые НАСА используют для расшифровки спектральной информации, не соответствует точности и качеству данных, полученных с телескопа «Джеймса Уэбб». Как отметили ученые, необходимо решить проблему непрозрачности».
Что такое непрозрачность?
Непрозрачность — это мера того, насколько легко фотоны проходят через материал. Как известно, фотоны определенных длин волн могут проходить прямо через материал, поглощаться или отражаться обратно. Все зависит от того, взаимодействуют ли они с определенными молекулами внутри материала и как это происходит. Такое взаимодействие также зависит от температуры и давления материала.
Модель непрозрачности работает на основе различных предположений о том, как свет взаимодействует с веществом. Астрономы используют ее для получения определенных свойств материала с учетом спектра света, излучаемого материалом. В контексте экзопланет модель непрозрачности позволяет расшифровать тип и содержание химических веществ в атмосфере планеты на основе света, который от нее отражается и который захватывает телескоп.
Что происходит сейчас?
Нынешняя современная модель непрозрачности, которую в MIT сравнили с классическим инструментом языкового перевода, «работает достойно». Она нормально расшифровывает спектральные данные, полученные такими телескопами, как космический телескоп «Хаббл».
«Пока что с этим Розеттским камнем все в порядке», пишут ученые. Но теперь, когда ученые переходят на «следующий уровень», работая со сверхточными инструментами «Уэбба», актуальный процесс перевода «не позволит уловить важные тонкости». Например те, которые отличают пригодную для жизни планету от непригодной.
Что сделали ученые?
В ходе нового исследования сотрудники MIT искали, какие атмосферные свойства получит модель, если ее настроить. Цель — допустить определенные ограничения в понимании того, как взаимодействуют свет и материя. В итоге, ученые создали восемь таких «возмущенных» моделей.
Затем они снабдили каждую модель, включая реальную версию, «синтетическими спектрами». Речь идет об узорах света, которые смоделировали ученые. Они аналогичны точности, которую мог зафиксировать телескоп «Джеймс Уэбб».
Что выяснили ученые?
Оказалось, что, основываясь на одних и тех же световых спектрах, каждая возмущенная модель дает широкомасштабные прогнозы свойств атмосферы планеты. Основываясь на анализе, ученые пришли к выводу, что, если существующие модели непрозрачности применить к световым спектрам, полученным телескопом «Уэбба», они достигнут определенной «стены точности». Простыми словами, они не будут достаточно чувствительными, чтобы выяснить реальную температуру планеты (300 или 600 градусов по Кельвину, 26,85 °C—326,85 °C) и какой газ занимает 5% или 25% атмосферного слоя.
Эта разница важна для того, чтобы ученые могли ограничить механизмы формирования планет и надежно идентифицировать биосигнатуры.
Команда также обнаружила, что каждая модель также обеспечивала «хорошее соответствие» данным. Это значит, что, даже если возмущенная модель предоставляла неправильный химический состав, она генерировала его световой спектр. Он был достаточно близок к тому, чтобы «соответствовать» исходному.
Что в итоге?
Есть достаточно параметров, которые нужно настроить, даже с неправильной моделью, чтобы получить хорошее соответствие. Это значит, что нельзя точно знать, что модель неверна.
Ученые выдвинули несколько идей о том, как улучшить существующие модели непрозрачности. Например, необходимо провести дополнительные лабораторные измерения и теоретические расчеты, чтобы уточнить предположения о том, как взаимодействуют свет и различные молекулы. Также необходимо сотрудничество ученых из разных сфер. В частности, между астрономами и специалистов по спектроскопии.
Многое можно было сделать, если в совершенстве знать, как взаимодействуют свет и материя.
Читать далее:
Таинственная «голубая слизь» на дне моря поставила ученых в тупик
Разработан генератор для ветряных электростанций без дорогих магнитов
Посмотрите на явление, которое просто невозможно на Марсе
«Хайтек» перевел и адаптировал статью Дженнифер Чу «Study: Astronomers risk misinterpreting planetary signals in James Webb data», опубликованную в MIT News — сайта, освещающего новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT. С оригиналом статьи можно ознакомиться по ссылке.
Иллюстрация на обложке: Thibaut Roger, Thibaut Roger
Авторские права: © CC BY-NC-SA 4.0