Naukowcy przygotowują się do badania atmosfer egzoplanet wielkości Ziemi, skupiając się na odróżnieniu tych podobnych do Ziemi od tych przypominających Wenusktóry ma gęstą atmosferę bogatą w dwutlenek węgla.
Zespół przeprowadził symulację oglądania Wenus jako egzoplaneta i z powodzeniem zastosował techniki zaplanowane dla przyszłych dużych teleskopów, wskazując na potencjał dokładnego charakteryzowania atmosfer odległych planet.
Badania atmosfery egzoplanetarnej
W nadchodzącej dekadzie naukowcy rozpoczną badanie atmosfer planet tak małych jak Ziemia i Wenus, krążących wokół pobliskich gwiazd. Pomimo podobnych rozmiarów i gęstości nasypowej, dzięki czemu zyskały przydomek „bliźniaczek”, Ziemia i Wenus mają bardzo różne atmosfery. Czy naukowcy mogliby je rozróżnić, gdyby obserwowano je z odległości lat świetlnych?
Aby zbadać to pytanie, zespół z Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) przeprowadził symulację Wenus tak, jakby była odległą egzoplanetą. Zbadali, jakiego rodzaju dane atmosferyczne można zebrać przy użyciu obecnych technik. Opublikowano w czasopiśmie Atmosferaich odkrycia pokazują, że metody stosowane do badania dużych, gorących egzoplanet można również dostosować do znacznie mniejszych światów. Ten przełom przybliża badaczy do zidentyfikowania kluczowych markerów odróżniających bogate w azot atmosfery umiarkowane, takie jak ziemska, od bogatych w dwutlenek węgla, ekstremalnych atmosfer występujących na planetach takich jak Wenus.
Wyzwania i techniki w badaniach atmosfery egzoplanet
„Techniki stosowane obecnie do badania atmosfery egzoplanet są skuteczne w przypadku planet-olbrzymów znajdujących się blisko swojej gwiazdy, a więc z gorącą atmosferą. Jednak badanie atmosfery ciał tak małych jak Ziemia czy Wenus jest wyzwaniem” – mówi pierwszy autor Alexandre Branco, student studiów magisterskich na IA i Wydziale Nauk Uniwersytetu w Lizbonie (Ciências ULisboa). „Najbardziej obiecujące cele są często skąpane w reżimie promieniowania gwiazdowego podobnym do Wenus, więc „ExoVenus” najprawdopodobniej będzie pierwszymi małymi światami, których atmosfera zostanie scharakteryzowana. Nasza praca miała na celu spojrzenie na Wenus tak, jakbyśmy patrzyli na egzoplanetę”.
Dzięki dziesięcioleciom innych badań Wenus badaczom udało się potwierdzić swoje wnioski. Co więcej, pokazują, że atmosfery ciał Układu Słonecznego można również badać przy użyciu tych samych technik w przypadku odległych atmosfer, aby wykryć w naszych bliskich sąsiadach substancje chemiczne gatunek o bardzo niskich stężeniach, trudnych do znalezienia innymi sposobami.
Obserwowanie i zrozumienie sygnatur atmosferycznych Wenus
Aby obserwować Wenus jako egzoplanetę, zespół przeanalizował bardzo rzadki zestaw danych zebranych w dniach 5 i 6 czerwca 2012 r., kiedy to ostatni raz w tym stuleciu Wenus przeleciała przez dysk naszego Słońca – podobnie jak bada się atmosfery egzoplanet kiedy przechodzą przed swoją gwiazdą macierzystą z naszego ziemskiego punktu widzenia. Odciskają swoją obecność na świetle gwiazdy przechodzącej na Ziemię. Wśród śladów znajdują się sygnały pozostawione przez cząsteczki w ich atmosferze, które mówią astrofizykom, z czego jest zbudowana.
Jest to trudniejsze, im mniejsza jest planeta, ale planowane jest rozpoczęcie działania nowych instrumentów astronomicznych w latach trzydziestych XXI wieku, a egzoplanety wielkości Ziemi i Wenus będą w ich zasięgu. Dlatego techniki już z powodzeniem stosowane na dużych, gorących egzoplanetach muszą zostać przetestowane i skalibrowane pod kątem trudniejszych przypadków, w których odpowiednie sygnały są prawdopodobnie zbyt małe i ukryte w szumie.
Stosując te techniki do danych z tranzytu Wenus przed Słońcem, naukowcy potwierdzili ich przyszłe wykorzystanie w potężnych obiektach, takich jak ESOEkstremalnie Wielki Teleskop (ELT) i Europejska Agencja Kosmiczna Misja kosmiczna Ariel (ESA) – projekty, w które zaangażowana jest Portugalia i IA. Jednakże, aby rozróżnić światy takie jak Ziemia i takie jak Wenus, należy zrobić więcej. Widziana z daleka Wenus może zostać pomylona z planetą podobną do naszej.
Czy pierwsza odległa „Ziemia” rzeczywiście będzie kolejną piekielną Wenus?
Ze względu na stężenie dwutlenku węgla atmosfera Wenus podlega ekstremalnemu efektowi cieplarnianemu, który topi ołów na powierzchni planety, a ciśnienie osiąga poziom wewnątrz butelek nurków. W rzeczywistości atmosfera przypominająca Wenus będzie prawdopodobnie pierwszą scharakteryzowaną na egzoplanecie „wielkości Ziemi”.
„Wysokie temperatury charakterystyczne dla planet skalistych z atmosferą bogatą w dwutlenek węgla, a zatem podlegającą intensywnemu efektowi cieplarnianemu, prowadzą do środowiska chemicznie aktywnego, w którym zachodzi wiele przemian chemicznych. Dzięki temu tego typu atmosferę łatwo wykryć” – mówi Pedro Machado z IA i Ciências ULisboa oraz drugi autor tego badania.
Współautor Olivier Demangeon z IA i Wydziału Nauk Uniwersytetu w Porto (FCUP) dodaje: „Atmosfera Wenus jest około 90 razy gęstsza od Ziemi i jest również znacznie gorętsza. Do tego stopnia, że pomimo większej gęstości atmosfera Wenus jest większa. Zarówno większa, jak i gęstsza, wskazują na silną sygnaturę w naszych obserwacjach. Na danych Wenus wykryliśmy pewne słabe oznaki dwutlenku węgla, których nie należy się spodziewać w atmosferach podobnych do Ziemi. Jednak nadal nie jest to najskuteczniejszy sposób na rozróżnienie obu planet.
Ulepszone techniki obserwacyjne w badaniach Układu Słonecznego
W 2012 roku Pedro Machado i jego zespół wzięli udział w skoordynowanych obserwacjach Wenus w ramach międzynarodowej kampanii, kiedy w czerwcu planeta przekroczyła dysk słoneczny. Przeanalizowali także dane spektroskopowe zebrane w Dunn Solar Telescope (National Solar Observatory, Nowy Meksyk, USA) przy użyciu spektropolarymetru podczerwieni Facility (FIRS). Dane odnoszą się do światła słonecznego załamanego przez górną atmosferę Wenus w momentach, w których krawędź planety dotknęła i na koniec uwolniła dysk słoneczny.
„Zaadaptowaliśmy do ciała Układu Słonecznego wyrafinowane techniki stosowane do badania atmosfery światów niezwykle odległych” – mówi Pedro Machado – „i udowodniliśmy, że można je również wykorzystać do wykrywania drobnych składników chemicznych w atmosferach naszego Układu Słonecznego. Przygotowujemy obserwacje, które skorzystają z tej techniki, aby zbadać atmosfery Jowisza i Saturn kiedy jasna gwiazda przechodzi za nimi, jak widać z naszych teleskopów na Ziemi. Misje orbitalne wokół Wenus lub Mars zaobserwowali także Słońce w swoich atmosferach.”
„Wykryliśmy nawet wyraźne sygnatury izotopów węgla i tlenu w cząsteczkach dwutlenku węgla i tlenku węgla” – dodaje Machado. Ilość niektórych izotopów zmienia się z czasem i służy do oceny temperatury i ciśnienia atmosferycznego środowiska w przeszłości oraz ich skal czasowych.
„Oszacowanie względnych ilości izotopów pozwala nam wyciągnąć wnioski na temat historii ewolucji Wenus” – mówi Alexandre Branco. Machado dodaje: „To jest coś, do czego ta praca w bardzo wyraźny sposób przyczynia się i jest to również jeden z celów kolejnej misji ESA na Wenus, EnVision, przy której Portugalia i IA współpracują: zbadanie przeszłej ewolucji Wenus”.
Spektrograf ANDES dla należącej do ESO misji kosmicznej ELT oraz należącej do ESA misji kosmicznej Ariel, oba przy wsparciu IA w zakresie nauki i technologii, to dwa obiekty, które pobudzą badania nad innymi światami i skorzystają z badań zgodnych z pracami tego zespół. Ariel umożliwi badanie atmosfery około 1000 znanych już egzoplanet, wykorzystując w tym celu te same techniki obserwacji i analizy, które zespół zastosował w swojej pracy. Pedro Machado jest członkiem zarządu Konsorcjum Ariel i koordynatorem grupy roboczej Ariel, która łączy badania atmosfer egzoplanet z badaniami Układu Słonecznego.
Odniesienie: „Spektroskopia transmisyjna wzdłuż tranzytu Wenus: zastępcza charakterystyka atmosfery egzoplanet” Alexandre Branco, Pedro Machado, Olivier Demangeon, Tomás Azevedo Silva, Sarah A. Jaeggli, Thomas Widemann i Paolo Tanga, 27 listopada 2024 r., Atmosfera.
DOI: 10.3390/atmos15121431
