Nowatorskie metody analizy obserwacji atmosfer egzoplanet
Spektroskopia astronomiczna to metoda pomiarów widma promieniowania elektromagnetycznego. Możliwość interpretacji widma jest ważna, ponieważ umożliwia uzyskanie mnóstwa informacji. Pozwala na przykład potwierdzić występowanie w obiekcie określonych atomów, cząsteczek, jonów, mgieł i chmur, ich ilości, a także wskazać, czy występują w nim pionowe struktury cieplne. Pierre-Olivier Lagage, pracujący w Departamencie Astrofizyki Komisariatu ds. Energii ze Źródeł Alternatywnych oraz Energii Atomowej (CEA) w Saclay (Francja), mówi: „Potrzebujemy takich informacji, aby badać i ulepszać chemię oraz dynamikę modeli atmosferycznych, na podstawie których badamy potem obce światy”. Lagage to główny badacz finansowanego ze środków EU projektu ExoplANETS A. Prowadzone w ramach projektu analizy archiwalnych danych pochodzących z przestrzeni kosmicznej, wykonywane innowacyjnymi narzędziami, zwiększyły znacznie naszą wiedzę na temat atmosfer egzoplanet. „Głównym wyzwaniem, jakie wiąże się z prowadzeniem spektroskopowych obserwacji atmosfery tranzytującej egzoplanety jest wskazanie i usunięcie szumów systematycznych, których natężenie często przekracza sygnał indukowany przez atmosferę egzoplanety o kilka rzędów wielkości”, wyjaśnia Lagage.
Odkrywanie tajemnic odległych planet
Jeden z naukowców pracujących nad projektem, Jeroen Bouwman z Instytutu Astrologii im. Maxa Plancka w Heidelbergu (Niemcy), opracował innowacyjną metodę opisu szumów systematycznych i ich usuwania. Lagage opisuje ją następująco: „Metoda ta polega na opracowaniu opartego na danych modelu zachowań czasowych szumów systematycznych do analizy każdego piksela widma na podstawie porównania z pikselami znajdującymi się w innych obszarach widma. Wykorzystuje ona to, że przyczyny szumów systematycznych są takie same dla wielu pikseli – taka zależność zachodzi dla danych pochodzących z teleskopu Hubble’a, które poddaliśmy analizie”. Metoda ta została wdrożona w kodzie Calibration of trAnsit Spectroscopy using CAusal Data służącym do kalibracji spektroskopii tranzytowej na podstawie danych przyczynowych. Bouwman zastosował to podejście do wszystkich danych spektroskopowych pochodzących z egzoplanet, które udało się zebrać za pomocą teleskopu Hubble’a. „Przeanalizowaliśmy około 200 wyników obserwacji spektroskopowych i w ten sposób uzyskaliśmy jednolitą i wiarygodną charakterystykę atmosfer 54 egzoplanet”, zauważa Lagage. Astrofizyk pracujący w CEA, Vincent Minier, oraz profesor Hiszpańskiego Centrum Astrobiologii będącego częścią Krajowego Instytutu Technologii Lotniczych i Kosmicznych, David Barrado, opracowali stronę internetową projektu, na którą trafiają wyniki prowadzonych badań i gdzie można znaleźć narzędzia edukacyjne.
Co mówią dane?
Modelowanie takich systemów umożliwi eksplorację obszaru całej atmosfery otaczającej planety. Dzięki temu dokładniej poznane zostaną procesy chemiczne zachodzące w atmosferze oraz wzorce cyrkulacji jej składników. Badań takich nie prowadzono ani na Ziemi, ani dla żadnej innej planety Układu Słonecznego. Aby stworzyć wiarygodny model atmosfery egzoplanety, trzeba dobrze znać gwiazdę, wokół której ta planeta krąży. Dlatego też w ramach projektu powstała spójna i jednorodna baza danych istotnych właściwości gwiazd poszczególnych układów. Czerpie ona z danych zebranych w archiwach Europejskiej Agencji Kosmicznej, które łączy z danymi pochodzącymi z międzynarodowych misji kosmicznych i obserwacji prowadzonych z Ziemi. Katalogi egzoplanet i ich gwiazd macierzystych zostały uzupełnione modelami, na podstawie których prowadzi się ich interpretację i ocenę znaczenia oddziaływań gwiazda-planeta. Jak dotąd większość informacji na temat składu cząsteczkowego atmosfer pochodzi z obserwacji prowadzonych za pomocą teleskopu Hubble’a, szczególnie tych z wykorzystaniem aparatu Wide Field Camera 3. Zakres fal, w jakich pracuje ten aparat, umożliwia wykrywanie wody w postaci gazowej. Jej cząsteczki zostały wykryte w atmosferach kilku egzoplanet. „Sytuacja zmieni się gwałtownie wraz z uruchomieniem teleskopu Jamesa Webba” wyjaśnia Lagage. „Da nam to możliwość prowadzenia obserwacji w większym zakresie długości fal (od 0,4 do 28 mikronów), co pozwoli stwierdzić, czy w atmosferach tych planet występują inne cząsteczki, na przykład woda, dwutlenek węgla czy amoniak”. Teleskop będzie zbierał obraz na powierzchni 25 metrów kwadratowych, co da nam możliwość scharakteryzowania niedostępnych do tej pory egzoplanet”. Lagage zauważa, że dzięki tej wiedzy ostatecznie uda się nam lepiej zrozumieć własną planetę. „Sukces projektu ExoplANETS A zawdzięczamy nawiązaniu współpracy między czołowymi naukowcami. Dzięki temu udało się nam podejrzeć skład chemiczny atmosfer tych planet i możemy być w większym stopniu pewni poprawności tych wyników”, kontynuuje uczony. „To w połączeniu z uruchomieniem teleskopu Jamesa Webba da nam odpowiedni zestaw narzędzi, które umożliwią interpretację niezmiernie ciekawych danych, które lada dzień zaczniemy zbierać”.
Słowa kluczowe
ExoplANETS-A, teleskop Hubble’a, teleskop Jamesa Webba, szum systematyczny, atmosfera, planeta, obserwacje spektroskopowe