Астрономи ризикують неправильно інтерпретувати планетарні сигнали в даних “Вебба”

Нове дослідження висуває припущення, що використовувані моделі для розшифровки спектральної інформації не відповідають точності та якості даних, отримуваних від космічного телескопа Джеймса Вебба.

Про це розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Космічний телескоп "Джеймс Вебб" відкриває Всесвіт з разючою, безпрецедентною чіткістю. Надгострий інфрачервоний зір обсерваторії прорізається крізь космічний пил, щоб висвітлити деякі з найдавніших структур у Всесвіті, а також раніше приховані зоряні розплідники та обертові галактики, які лежать за сотні мільйонів світлових років від нас.

На додаток до того, що "Вебб" може зазирнути у Всесвіт далі, ніж будь-коли раніше, він також отримає найповніше уявлення про об'єкти у нашій власній галактиці, а саме про деякі з 5 000 планет, які були відкриті в Чумацькому Шляху. Астрономи використовують точність аналізу світла телескопа, щоб розшифрувати атмосферу, яка оточує деякі з цих сусідніх світів. Властивості їхніх атмосфер можуть дати підказки про те, як сформувалася планета та чи є на ній ознаки життя.

Тепер нове дослідження висуває припущення, що інструменти, які астрономи зазвичай використовують для розшифровки світлових сигналів, можуть бути недостатньо хорошими для точної інтерпретації даних нового телескопа. Зокрема, моделі непрозорості — інструменти, які моделюють взаємодію світла з речовиною в залежності від властивостей речовини — можуть потребувати значного доопрацювання для того, щоб відповідати точності даних "Вебба", кажуть дослідники.

А якщо ці моделі не будуть допрацьовані? Дослідники прогнозують, що властивості планетних атмосфер, такі як температура, тиск та елементний склад, можуть відрізнятися у кілька разів.

“Існує науково значуща різниця між присутністю такої сполуки, як вода, на рівні 5% і 25%, яку сучасні моделі не можуть розрізнити”, - говорить співкерівник дослідження Жюльєн де Віт, доцент кафедри наук про Землю, атмосфери та планети (EAPS) в MIT.

“Наразі модель, яку ми використовуємо для розшифровки спектральної інформації, не відповідає точності та якості даних, які ми отримуємо з телескопа Джеймса Вебба”, - додає аспірант EAPS Праджвал Ніраула. “Нам потрібно підвищити рівень нашої гри та разом розв’язувати проблему непрозорості”.

Де Віт, Ніраула та їхні колеги опублікували своє дослідження в журналі Nature Astronomy. Серед співавторів — фахівці зі спектроскопії Юлі Гордон, Роберт Харгрівз, Клара Суза-Сільва та Роман Кочанов з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики.

Підвищення рівня

Непрозорість — це міра того, наскільки легко фотони проходять крізь матеріал. Фотони певної довжини хвилі можуть проходити прямо крізь матеріал, поглинатися або відбиватися назад, залежно від того, чи взаємодіють вони з певними молекулами в матеріалі та як саме. Ця взаємодія також залежить від температури й тиску матеріалу.

Модель непрозорості працює на основі різних припущень про те, як світло взаємодіє з речовиною. Астрономи використовують моделі непрозорості для отримання певних властивостей матеріалу, враховуючи спектр світла, який випромінює матеріал. У контексті екзопланет модель непрозорості може розшифрувати тип і кількість хімічних речовин в атмосфері планети на основі світла від планети, яке фіксує телескоп.

Де Віт каже, що сучасна модель непрозорості, яку він порівнює з класичним інструментом мовного перекладу, добре справляється з розшифровкою спектральних даних, отриманих такими інструментами, як космічний телескоп "Хаббл".

“Досі цей Розетський камінь працював добре”, - каже де Віт. “Але тепер, коли ми переходимо на наступний рівень з точністю Вебба, наш процес перекладу не дозволить нам вловити важливі тонкощі, такі як ті, що роблять різницю між тим, чи є планета придатною для життя, чи ні”.

Світло, збурене

Він та його колеги наголошують на цьому у своєму дослідженні, в якому вони перевірили найбільш часто використовувану модель непрозорості. Команда хотіла побачити, які атмосферні властивості отримає модель, якщо вона буде налаштована таким чином, щоб припустити певні обмеження в нашому розумінні того, як взаємодіють світло та речовина. Дослідники створили вісім таких "збурених" моделей. Потім вони подали на кожну модель, включаючи реальну версію, "синтетичні спектри" — шаблони світла, змодельовані групою та подібні до точності, з якою бачив би телескоп Джеймса Вебба.

Вони виявили, що на основі одних і тих же світлових спектрів кожна збурена модель давала широкі прогнози щодо властивостей атмосфери планети. На основі свого аналізу команда робить висновок, що, якщо поточні моделі непрозорості застосувати до світлових спектрів, отриманих телескопом Вебба, вони наштовхнуться на "стіну точності". Тобто, моделі не будуть достатньо чутливими, щоб сказати, чи має планета температуру атмосфери 300 Кельвінів або 600 Кельвінів, або чи певний газ займає 5% або 25% атмосферного шару.

“Ця різниця має значення для того, щоб ми могли обмежувати механізми формування планет і надійно ідентифікувати біосигнатури”, - каже Ніраула.

Команда також виявила, що кожна модель "добре узгоджується" з даними. Тобто, навіть якщо збурена модель давала хімічний склад, який, як знали дослідники, був неправильним, вона також генерувала світловий спектр з цього хімічного складу, який був досить близьким до оригінального спектра або "відповідав" йому.

“Ми виявили, що існує достатньо параметрів, які можна налаштувати, навіть з неправильною моделлю, щоб все одно отримати добру підгонку, тобто ви не будете знати, що ваша модель помилкова та що вона говорить вам неправду”, - пояснює де Віт.

Він та його колеги пропонують деякі ідеї щодо вдосконалення поточних моделей непрозорості, включаючи необхідність проведення більшої кількості лабораторних вимірювань і теоретичних розрахунків для уточнення припущень моделей про взаємодію світла й різних молекул, а також співпраці між різними дисциплінами, зокрема, між астрономією та спектроскопією.

“Якби ми досконало знали, як взаємодіють світло та речовина, можна було б зробити так багато”, - каже Ніраула. “Ми знаємо це досить добре в умовах Землі, але як тільки ми переходимо до різних типів атмосфер, все змінюється, і це велика кількість даних, якість яких зростає, і які ми ризикуємо неправильно інтерпретувати”.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.