Космический телескоп James Webb (JWST) открывает вселенную с захватывающей дух, беспрецедентной четкостью. Захватывающее сверхострое инфракрасное зрение обсерватории уже прорезало космическую пыль, чтобы пролить свет на некоторые из самых ранних структур во Вселенной, наряду с ранее скрытыми звездными яслями и вращающимися галактиками, лежащими в сотнях миллионов световых лет от нас.
Помимо того, что JWST позволяет заглянуть дальше во Вселенную, чем когда-либо прежде, он будет фиксировать наиболее детальное изображение объектов в нашей собственной галактике. Например, он будет внимательно следить за некоторыми из 5000 экзопланет, обнаруженных в Млечном Пути. Используя точность анализа света телескопа, астрономы расшифровывают атмосферу, окружающую некоторые из этих близлежащих миров. Подсказки к тому, как сформировалась планета и есть ли на ней признаки жизни, можно получить из свойств их атмосфер.
Однако новое исследование Массачусетского технологического института показывает, что инструменты, которые астрономы обычно используют для декодирования световых сигналов, могут быть недостаточно хороши для точной интерпретации данных нового телескопа. В частности, исследователи говорят, что модели непрозрачности — инструменты, которые моделируют взаимодействие света с материей в зависимости от свойств материи — могут нуждаться в значительной перенастройке, чтобы соответствовать точности данных JWST.
А что будет, если эти модели не доработаны? Ученые предсказывают, что свойства планетарных атмосфер, такие как их температура, давление и элементный состав, могут отличаться на порядок.
На этом концептуальном изображении телескоп James Webb фиксирует свет вокруг недавно открытой планеты (слева). Однако, когда ученые анализируют эти данные, ограничения в моделях непрозрачности могут привести к предсказаниям планет, которые отличаются на порядок (представлены 3 возможными планетами справа).
Непрозрачность — это мера того, насколько легко фотоны проходят через материал. В зависимости от того, взаимодействуют ли они с определенными молекулами внутри материала и каким образом, фотоны определенных длин волн могут проходить прямо через материал, поглощаться или отражаться обратно. Это взаимодействие также зависит от температуры и давления материала.
Модель непрозрачности работает на основе различных предположений о том, как свет взаимодействует с веществом. Астрономы используют модели непрозрачности для получения определенных свойств материала с учетом спектра света, излучаемого материалом. В контексте экзопланет модель непрозрачности может расшифровать тип и содержание химических веществ в атмосфере планеты на основе света от планеты, который захватывает телескоп.
Авторы исследования сравнивают текущую современную модель непрозрачности с классическим инструментом языкового перевода. Он говорит, что он проделал достойную работу по расшифровке спектральных данных, полученных такими инструментами, как те, что установлены на космическом телескопе Hubble. Пока что с этими моделями было все в порядке. Но теперь, когда мы переходим на следующий уровень с точностью Webb, наш процесс перевода не позволит нам уловить важные тонкости, такие как те, которые определяют разницу между обитаемостью планеты или нет.
Авторы работы отмечают возможные проблемы в своем исследовании, в котором они проверяют наиболее часто используемую модель непрозрачности. Ученые хотели увидеть, какие атмосферные свойства получит модель, если она будет изменена, чтобы допустить определенные ограничения в нашем понимании того, как взаимодействуют свет и материя. Исследователи создали восемь таких "возмущенных" моделей. Затем они снабдили каждую модель, включая реальную версию, "синтетическими спектрами" — узорами света, которые были смоделированы группой и аналогичны точности, которую увидел бы JWST.
Они обнаружили, что, основываясь на одних и тех же световых спектрах, каждая возмущенная модель дает широкомасштабные прогнозы свойств атмосферы планеты. Основываясь на своем анализе, команда приходит к выводу, что если существующие модели непрозрачности применить к световым спектрам, снятым телескопом Webb, они достигнут "стены точности". То есть они не будут достаточно чувствительны, чтобы сказать, имеет ли планета температуру атмосферы 300 или 600 градусов по Кельвину, или какой газ занимает 5 или 25 процентов атмосферного слоя.
Исследовательская группа также обнаружила, что каждая модель "хорошо соответствует" данным. Это означает, что даже если возмущенная модель давала химический состав, который, как знали исследователи, был неверным, она также генерировала спектр света из этого химического состава, который был достаточно близок к исходному спектру или соответствовал ему.
Вместе с критикой, ученые предлогают и некоторые идеи о том, как улучшить существующие модели непрозрачности, в том числе о необходимости дополнительных лабораторных измерений и теоретических расчетов для уточнения предположений моделей о том, как взаимодействуют свет и различные молекулы, а также о сотрудничестве между различными дисциплинами, и, в частности, между астрономией и спектроскопией.