Ethan'a Sorun: Bir Ötegezegenin Yüzeyi Olup Olmadığını Nasıl Anlayabiliriz?
Bir gezegen ana yıldızının önünden geçtiğinde, ışığın bir kısmı bloke olmakla kalmaz, aynı zamanda bir atmosfer varsa, içinden süzülür ve yeterince karmaşık bir gözlemevinin algılayabileceği absorpsiyon veya emisyon çizgileri oluşturur. Mevcut en iyi sınırlar, yalnızca Güneş benzeri yıldızların etrafındaki Satürn boyutundaki atmosferleri ve kırmızı cücelerin etrafındaki Neptün boyutundaki atmosferleri ortaya çıkardı, ancak James Webb bize süper Dünyalar kazandıracak. (ESA / DAVİD ŞARKI)
İster gaz devleri ister kayalık gezegenler olsun, yaşam için tüm farkı yaratır.
Son 30 yılda, diğer yıldızların etrafında bizimki gibi gezegenler olup olmadığını bilmemekten, binlercesini içeren bir kataloğa geçtik. Bugün 4.000'den fazla onaylanmış ötegezegen biliyoruz, bunlardan birkaçı yaşam için dost olabileceğini düşündüğümüz özelliklere bile sahip. Bununla birlikte, NASA'nın Kepler misyonu tarafından bulunan en tipik gezegen, Güneş Sistemimizde bulunan hiçbir şeye tam olarak benzemiyor, bunun yerine Dünya ile Neptün arasında bir kütle ve boyuta sahip. Yüzeyleri ve ince atmosferleri olan Dünya'ya mı daha çok benziyorlar, yoksa büyük, uçucu gaz zarflarına sahip Neptün'e mi benziyorlar? İşte o yanan soru Dr. Xinting Yu UC Santa Cruz'da uzun süredir devam eden bir soruna yeni bir bakış açısı önermek için yazan doktora sonrası araştırmacı:
Ötegezegenlerdeki katı yüzeyleri veya sıvı okyanusları tespit etmek üzerine yeni bir makale yayınlıyoruz… Yaklaşan uzay teleskoplarının hiçbiri ötegezegenin yüzeyini doğrudan görme kapasitesine sahip değil, ancak atmosferik bileşimi görmede mükemmeller. ben sana bu kağıdı gönderiyorum eğer ilgileniyorsanız!
Bir göz attım ve sadece ilgimi çekmekle kalmadım, herkesin ilk kez bize süper-Dünya kategorisindeki hangi ötegezegenlerin gerçekten yüzeyleri olduğunu söyleyebilecek olan bu yaklaşan teknik hakkında gerçekten heyecan duyacağını düşünüyorum. , uçucu gaz zarfları yerine. İşte nasıl.
Merkür (üstte) Güneş'i ilk kez geçmeye başladığında, atmosferinden süzülen güneş ışığının varlığını ortaya çıkaracak bir atmosferik 'yay' olduğuna dair hiçbir ipucu yoktur. Buna karşılık, Venüs'ün atmosferi (alt) geçişler sırasında açıkça tanımlanmış bir yay sergiler ve 18. yüzyıla kadar geri gider. Geçişler, ötegezegenler için bile bir atmosferin varlığını, bileşimini ve kalınlığını ortaya çıkarma potansiyeline sahiptir. (NASA/İZ (ÜST); JAXA/NASA/HINODE (ALT))
Sorun aşağıdaki gibidir. Güneşimizin ötesindeki yıldızların yörüngesinde dönen uzayda bulunan gezegenler olan ötegezegenlerimizin ezici çoğunluğunu keşfetme yöntemimiz geçiş yöntemidir. Güneşimizin yörüngesinde dönen gezegenleri çok uzaklardan izlemenin nasıl görüneceğine dair iki olasılık hayal edebilirsiniz:
- ya gezegenlerin Güneş'in etrafında yeterince geniş bir açıyla döndüğünü görürüz, böylece bizim perspektifimizden asla Güneş'in önünden geçmezler veya Güneş'in arkasına eğilmezler,
- ya da gezegen yörüngelerinin yönelimi, neredeyse, hatta mükemmel bir şekilde, tam kenarda olacaktır, öyle ki, bazı, hatta muhtemelen tüm gezegenler, sonunda ve periyodik olarak Güneş'in önünden geçtiler ya da Güneş'in arkasına eğildiler.
Bu ikinci seçenek elbette nadirdir. Ancak NASA'nın Kepler misyonunun, birincil görevi sırasında ~3 yıllık bir süre boyunca aynı anda 100.000'den fazla yıldızı izleyerek aynı gökyüzü parçasını izlediği göz önüne alındığında, etraflarında gezegenler olan binlerce yıldızı ortaya çıkarmamız şaşırtıcı değil. Sadece bu da değil, bu yıldızların birçoğunun birden fazla gezegeni vardı, bir sistem (en azından) en az bizimki kadarını içeriyordu ve şimdiye kadar sekizi keşfedildi.
Bu şekil bir, iki, üç, gezegen vb. içeren sistemlerin sayısını gösterir. Her nokta bilinen bir gezegen sistemini temsil eder. 2.000'den fazla tek gezegen sistemi ve giderek daha az sayıda gezegen içeren sistem biliyoruz. Sekiz gezegeni olan bilinen ilk ötegezegen sistemi olan Kepler-90i'nin keşfi, daha yüksek nüfuslu sistemlerin geleceğini gösteriyor. (NASA/AMES ARAŞTIRMA MERKEZİ/WENDY STENZEL VE TEXAS ÜNİVERSİTESİ AUSTIN/ANDREW VANDERBURG)
Geçiş yöntemine göre, yıldızın ışığının bir kısmı gezegen tarafından periyodik olarak engellenecektir: gezegen, yıldız diskinin önünden her geçtiğinde. Gökbilimciler hem yıldızların hem de yerçekiminin nasıl çalıştığını anladıkları için, gezegenin fiziksel boyutunu (yarıçap gibi) ve ana yıldızının etrafında dönerken yörünge özelliklerini çıkarabiliriz.
Daha sonra transit gözlemlerimizi radyal hız çalışmasıyla takip edersek - yıldızın periyodik olarak bize doğru nasıl yavaşça hareket ettiğini, sonra durağan hale geldiğini, sonra bizden uzaklaştığını, sonra durağan hale geldiğini, sonra tekrar bize doğru, vb. yörüngedeki gezegenin kütlesini bile öğrenebiliriz. Bu üç veri parçasıyla:
- gezegenin kütlesi,
- gezegenin büyüklüğü,
- ve gezegenin yıldızdan yörünge mesafesi,
Bu ötegezegenleri inceleyen astronomların kafalarındaki en yakıcı soruyu düşünmeye başlayabiliriz: Varsa bu gezegenlerden hangileri yaşam için uygun olabilir? Ve eğer çok, çok şanslıysak, içlerinde gerçekten yerleşim olabilir mi?
4.000'den fazla onaylanmış ötegezegen bilinmesine ve bunların yarısından fazlasının Kepler tarafından keşfedilmesine rağmen, Güneşimiz gibi bir yıldızın etrafında Merkür benzeri bir dünya bulmak, mevcut gezegen bulma teknolojimizin yeteneklerinin çok ötesindedir. Bununla birlikte, sahip olduğumuz muazzam sayıdaki süper Dünya ile, hangilerinin Dünya benzeri ve hangilerinin Neptün benzeri olduğunu bilmek hayati derecede önemli hale geliyor. (NASA/AMES ARAŞTIRMA MERKEZİ/JESSIE DOTSON VE WENDY STENZEL; E. SIEGEL TARAFINDAN EKSİK DÜNYA GİBİ DÜNYALAR)
Hem kendi Güneş Sistemimizden hem de diğer yıldızların etrafında yaptığımız gözlemlerden biliyoruz ki, bazı ötegezegenler kendi çevremizde bulduklarımıza benzeyen kayalık gezegenler olma ihtimali çok yüksek: Dünya, Venüs, Mars ve Merkür. Merkür gibi havasız olabilirler, Mars gibi çok ince atmosferlere sahip olabilirler, Dünya gibi yaşam ve su dostu atmosferlere sahip olabilirler veya Venüs gibi gaz devi olmayan önemli, ancak gaz devi olmayan atmosferlere sahip olabilirler.
Birçok dünyanın yoğunluğuna dayanarak, kütlesi 2 Dünya kütlesinin altında ve yarıçapı yaklaşık ~ 1.2 Dünya yarıçapının altında olan gezegenlerin ezici çoğunluğunun aslında kendi arka bahçemizdekiler gibi kayalık olduğunu gördük.
Benzer şekilde, büyük bir kesinlikle söyleyebiliriz ki, yaklaşık 10 Dünya kütlesinden veya yaklaşık ~ 2 Dünya yarıçapından daha fazlasına sahipseniz, neredeyse kesinlikle daha çok Uranüs veya Neptün gibi olacaksınız: büyük bir kütleye tutunarak. , büyük hidrojen ve helyum gazları zarfı. Muhtemelen aşağıda bir yerlerde bir yüzey vardır, ancak şu anda Dünya'da mevcut olan atmosferin ~1000 katından daha fazla aşağı inmeniz ve sizi daha çok bir gaz devi gibi yapmanız gerekir.
Dış gezegeniniz 2 Dünya kütlesinin altındaysa, neredeyse kesinlikle kayalık bir gezegensiniz. Dış gezegeniniz yaklaşık 15 Dünya kütlesinin üzerindeyse, neredeyse kesinlikle bir Neptün dünyasısınız. Ama arada? Kesin olarak bilmek için ölçmemiz gerekir, çünkü gezegenlerin süper Dünyalar ve mini Neptünler arasında büyük olasılıkla değişkenlik vardır. (CHEN VE KIPPING, 2016)
Dünya'dan daha büyük, ancak Neptün'den daha küçük bir yer, gezegenlerin ortalama olarak artık altlarında potansiyel olarak yaşanabilir bir yüzeye sahip ince bir atmosferi artık sürdüremedikleri ve bunun yerine, gezegenlerin etrafında bulunan uçucu gazlara başarılı bir şekilde tutundukları bir geçiş noktasıdır. Güneş Sisteminin erken evreleri. Hangi dünyaların kayalık ve ince atmosfere sahip olduğunu bilmek, dünya dışı yaşamı aramak için Güneş Sistemimizin ötesindeki ilk dünyaları tanımlamanın önemli bir anahtarıdır.
Sorun şu ki, ötegezegenleri bulma, karakterize etme ve anlama konusundaki tüm ilerlemelerimize rağmen, hala yeterince küçük ve kesinlikle kayalık olacak kadar düşük kütleye sahip nispeten az sayıda gezegen var. Dahası, bunların çoğu, yüzeylerinde sıvı su barındırmak için ya çok sıcak ya da çok soğuk olduğundan, bunların daha küçük bir alt kümesinin bile yaşanabilir olması muhtemeldir.
Bununla birlikte, şu anda süper Dünya gezegenleri dediğimiz şey, aslında NASA'nın Kepler misyonu tarafından bulunan en yaygın ötegezegen türüdür. Bu aradaki gezegenlerin bazıları, çoğu veya tamamının gerçekten ince atmosferli katı yüzeylere sahip olduğu ortaya çıkarsa, Dünya'nın ötesinde yaşam arayışında devrim yaratabilirler.
Solda, DSCOVR-EPIC kameradan Dünya'nın bir görüntüsü. Doğru, aynı görüntü, araştırmacıların gelecekteki ötegezegen gözlemlerinde göreceklerine benzer şekilde, 3 x 3 piksel çözünürlüğe düşürüldü. Dünya gibi bir gezegenin yalnızca tek bir piksel ölçümünü elde edebilsek bile, çok sayıda bilimsel bilgi elde edebilirdik. (NOAA/NASA/STEPHEN KANE)
İdeal bir dünyada, bu ötegezegenleri doğrudan görüntüleyebilen bir teleskopumuz olurdu: kendi yayılan/yansıyan ışığını doğrudan görme ve ölçme. Yeterince büyük, yeterince hassas bir teleskopumuz olsaydı, ana yıldızın ışığını başarılı bir şekilde engellerken, yörüngedeki gezegenin ışığını geçirmeye devam edebilirdi, bu bize bu soruyu doğrudan cevaplamanın harika bir yolunu verirdi. Bir ötegezegen teleskoplarımızda yalnızca tek bir piksel olarak görünse bile, bu ışık noktası zaman içinde önemli şekillerde değişecektir. Yeterli veri ile şu sonucu çıkarabiliriz:
- gezegenin kendi ekseni etrafında ne kadar hızlı döndüğü,
- tam veya kısmi bulut örtüsüne sahip olup olmadığı ve bu bulutların bileşiminin ne olduğu,
- kıtaları ve sıvı okyanusları olup olmadığı ve dünyanın ne kadarının suyla kaplı olduğu,
- mevsimlerle birlikte büyüyen ve küçülen kutup buzullarına sahip olup olmadığı, bize gezegen iklimini öğrettiği,
- Kıtaların renklerinin yeşile dönmüş ve kahverengi olup olmadığı ya da dönemsel mevsimlere göre başka şekilde değişip değişmediği,
ve diğer birçok büyüleyici veri parçası. Ne yazık ki, önerilen tek teleskopun bu gözlemleri yapabilecek kapasitede olup olmadığını henüz bilmiyoruz — NASA'nın şu anda incelenmekte olan konsept amiral gemisi görevi, LUVOIR - inşa edilecek ve piyasaya sürülmek üzere seçilecektir.
Güneş 10 parsek (33 ışıkyılı) uzaklıkta olsaydı, LUVOIR sadece Jüpiter'i ve Dünya'yı, tayflarını alarak doğrudan görüntüleyebilmekle kalmaz, aynı zamanda Venüs gezegeni bile gözlemlere yol açardı. Dış gezegenlerin doğrudan görüntülenmesi, yüzey özelliklerini karakterize etmenin en kesin yolu olacaktır. (NASA / LUVOIR KONSEPT EKİBİ)
Ama öyle olsun ya da olmasın, bu cevapları bulmak için on yıldan fazla beklemek zorunda değiliz. Bu dünyaların doğrudan görüntülenmesi hemen ufukta olmayabilir, ancak NASA'nın bu yıl içinde piyasaya sürülmesi planlanan James Webb Uzay Teleskobu, bize bir ötegezegenin kompozisyonunu farklı bir şekilde öğretebilir: transit spektroskopi dediğimiz şey aracılığıyla.
Bir ötegezegen ana yıldızının diskinin önünden geçtiğinde, bu ışığın çoğu o gezegenin diski tarafından engellenir. Ancak - tıpkı bir ay tutulması sırasında Ay'ın kırmızıya dönmesi gibi, çünkü güneş ışığı Dünya'nın atmosferinden süzülür, maviden daha verimli bir şekilde kırmızı ve Ay'a iner - geçen ışığın küçük bir kısmı, ışığın belirli dalga boylarında daha fazla emilir. diğerlerinden daha.
Bir geçiş sırasında gözlemlenen yıldız ışığını kendi dalga boylarına bölerek ve sonra bunu geçiş olmadığında yıldızın spektrumuyla karşılaştırarak, istediğimiz gazların göreli atmosferik içeriğini ölçebiliriz: oksijen, nitrojen, metan, amonyak, su buharı, karbondioksit vb.
Bir sanatçının, kayalık bir süper Dünya olarak sınıflandırılacak bir dünyaya dair illüstrasyonu. Bir gezegen ana yıldızının önünden geçtiğinde, bu yıldız ışığının bir kısmı atmosferden süzülür, belirli dalga boylarının emisyonunu harekete geçirir ve diğerlerinde ışığı emer. Absorpsiyon spektrumları, belirli bir boyutun üzerindeki ötegezegenlerin geçişi hakkında zengin bilgi sağlamalıdır. (ATG MEDIALAB, ESA)
Gezegeniniz yıldıza göre ne kadar büyükse, o kadar fazla ışık bloke eder ve atmosferik imzalarını tespit etmek o kadar kolay olur. NASA'nın James Webb Uzay Teleskobu'nun Güneş benzeri yıldızların etrafındaki Dünya büyüklüğündeki gezegenlerin atmosferini ölçebileceğini düşünmüyoruz, ancak Güneş benzeri yıldızların etrafındaki süper Dünya atmosferlerini ölçebilmelidir.
Bu dolaylı ölçümlerden elde etmeyi umduğumuz tek şey, yaşamın olası varlığına dair ipuçları olduğu için, bir ötegezegende yaşam olup olmadığını bilmek çok zor olacak. Bununla birlikte, baktığımız ötegezegenin bir yüzeyi olup olmadığı - bir süper Dünya mı yoksa bir mini Neptün mi olduğu - James Webb Uzay Teleskobu tarafından gözlemlenir gözlemlenmez yanıtlanabilir.
Anahtar içgörü — hangi yeni kağıt ayrıntıları — kendi Güneş Sistemimizdeki çok, çok farklı iki dünyanın atmosferlerini düşünmekten geldi: en büyük gezegen olan Jüpiter ve Güneş Sisteminde daha kalın bir atmosfere sahip tek uydu olan Satürn'ün dev ayı Titan Dünya'nınkinden.
Bir gezegenin atmosferinde yükseklerde, fotokimyasal reaksiyonlar meydana gelir. Gezegenin derin bir yüzeyi ve büyük bir sıcaklık gradyanı varsa, daha yoğun türler dibe batacak, daha sıcak, daha az yoğun türler yükselecek ve ayrışmış molekülleri yenileyecektir. Ancak gezegen sığ bir yüzeye sahipse, fotokimyasal reaksiyonlar tamamlanmaya devam edebilir. Bu, gezegenin yüzey derinliğine bağlı olarak farklı bolluk oranlarına yol açmalıdır. (X. YU ET AL., ARXIV:2104.09843)
Basit bir molekül düşünün: nitrojen bazlı amonyak. Hem Jüpiter hem de Titan, atmosferlerinde küçük ama saptanabilir miktarlarda amonyak içerir. Her iki dünyanın da üst atmosferlerinde, Güneş'ten gelen fotokimyasal reaksiyonlar amonyağı yok ederek nitrojen gazı ve hidrojen oluşturur. Jüpiter'e bakarsanız, neredeyse hiç nitrojen gazı değil, bol miktarda hidrojen ve amonyak görürsünüz; Titan'a bakarsanız, bol miktarda nitrojen gazı görürsünüz, ancak neredeyse hiç hidrojen veya amonyak görmezsiniz.
Niye ya?
Çünkü Jüpiter'in kalın bir atmosferi var ve ne kadar derine inerseniz o kadar sıcak olur. Daha yoğun nitrojen alt katmanlara batabilirken, daha hafif uçucular yükselebilir ve üst atmosferi yeniden doldurabilir. Bu arada Titan, ince bir atmosfere sahiptir, yani yüzeyi ile üst atmosfer arasındaki sıcaklık gradyanı küçüktür. Zamanla, amonyak tükenir ve değiştirilmez, nitrojen sadece takılmaya bırakılır. Azot gibi basit bir şeyin amonyağa olan oranlarını ölçerek, fotokimyasal modellemeden ince bir atmosfer - ve dolayısıyla bir yüzey - ya da bir yüzey için hiçbir kanıt olmayacak kadar kalın bir atmosfer olup olmadığını belirleyebiliriz.
Çeşitli molekül türlerinin farklı karışım oranları, atmosfer basıncına bağlıdır. James Webb Uzay Teleskobu'nun yapabileceği, birbiriyle ilişkili birden fazla molekül türü için bu oranları doğrudan ölçerek, atmosferin basıncının/derinliğinin ne olduğunu çıkarmak mümkün olmalıdır. (X. YU ET AL., ARXIV:2104.09843)
ortaya çıkıyor, bu yeni bilimsel sonuca göre , aşağıdaki gezegen yüzeyinin varlığına ve derinliğine duyarlı olanın sadece amonyak/azot olmadığını. Diğer moleküller - metan, etan, su, karbon dioksit, karbon monoksit - de mevcut olabilir ve başlangıçta birden fazla türün var olduğu yerde ilginç moleküllerin (hidrojen siyanür gibi) oluşmasına izin verir.
James Webb'in yetenekleriyle birçok sözde süper dünya için yapabileceğimiz bir ötegezegenin üst atmosferinin kimyasal bileşimini ölçerek, atmosferinin ne kadar kalın olduğunu öğrenebilmeliyiz. Sığ bir yüzeye (Dünya gibi), bir ara yüzeye (Venüs gibi) veya derin bir yüzeye (bir gaz devi gibi) sahip olup olmadığı, gözlemleyeceğimiz gaz oranlarını yönetecektir.
Bunlar, James Webb Uzay Teleskobu'nun bilim operasyonlarına başlar başlamaz hemen yapabileceği gözlemlerdir ve bize - dolaylı bilgi olsa bile - bu Dünya'dan daha büyük dış gezegenlerden hangisinin gerçekten süper Dünyalar olduğunu, sığ atmosferleri ve yakın yüzeyleri ile söyleyebilir. ve hangilerinin atmosferleri o kadar derin ki yüzeyleri neredeyse saptanamıyor.
Bu akış şeması, moleküler bolluk ölçümlerinin yüzey karakterizasyonuna nasıl yol açtığını gösterir. Amonyak ve hidrojen siyanür fraksiyonları büyükse, derin bir yüzeye sahibiz. Küçüklerse, çeşitli hidrokarbon oranlarını ölçmek bize sığ (Dünya benzeri) veya orta (Venüs benzeri) bir atmosfere sahip olup olmadığımızı söyleyebilir. Sonunda, Dünya'dan daha büyük bu gezegenlerin süper Dünyalar mı yoksa mini Neptünler mi olduğunu öğrenebileceğiz. (X. YU ET AL., ARXIV:2104.09843)
İlk ötegezegenler keşfedildiğinden beri, nihai hayal, bizimki gibi kozmik olarak ender bulunan dünyaları bulmaktı: yaşamın var olduğu dünyaları. Teknolojimiz ilerledikçe, bu dünyaların yaşam için ne kadar uygun olduklarını anlamamıza yardımcı olan özelliklerini ölçmeye başlayabiliriz. Şu anda kütlelerini, yarıçaplarını ve yörünge parametrelerini bilebiliriz, ancak yüzeyleri, ince veya kalın atmosferleri veya yaşam için uygun koşulları olup olmadığını söyleyemeyiz.
Ancak James Webb Uzay Teleskobu ve geçiş spektroskopisi tekniği ile ileriye doğru muazzam bir adım atabiliriz: Dünya'dan daha büyük olan bu ötegezegenlerden hangilerinin devasa, gazlı zarflara sahip mini Neptünler olduğunu ve hangilerinin gerçekten süper olduğunu belirleyebiliriz. -İnce atmosferleri ve katı yüzeyleri olan topraklar.
Dünyanın ötesindeki yaşam arayışında, her bilgi parçası önemlidir. Dikkat çekici bir şekilde, yeni bir çalışma, sadece çeşitli gaz türlerinin atmosferik konsantrasyonlarını ölçerek - James Webb'in yapabileceği bir şey - sonunda, keşfettiğimiz dış gezegenlerden herhangi birinin gerçekten süper olup olmadığını öğrenebileceğimizi gösterdi. Dünya'nın -boyutlu versiyonları.
Ethan'a Sor sorularınızı şu adrese gönderin: gmail dot com'da başlar !
Bir Patlamayla Başlar tarafından yazılmıştır Ethan Siegel , Ph.D., yazarı Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .