Wetenschappers hebben duizenden exoplaneten ontdekt, waaronder tientallen terrestrische of rotsachtige werelden in de bewoonbare zones rond hun moedersterren. Een veelbelovende manier om op deze werelden naar tekenen van leven te zoeken, is om de atmosferen van exoplaneten te onderzoeken op "biosignaturen" - eigenaardigheden in de chemische samenstelling die veelbetekenende tekenen van leven zijn. Bijvoorbeeld, dankzij fotosynthese, onze atmosfeer is bijna 21% zuurstof, een veel hoger niveau dan verwacht gezien de samenstelling van de aarde, baan en moederster.

Het vinden van biosignaturen is geen eenvoudige taak. Wetenschappers gebruiken gegevens over hoe exoplaneetatmosferen interageren met licht van hun moederster om meer te weten te komen over hun atmosferen. Maar de informatie, of spectra, dat ze kunnen verzamelen met behulp van de huidige telescopen op de grond en in de ruimte, is te beperkt om atmosferen rechtstreeks te meten of biosignaturen te detecteren.

Exoplaneet-onderzoekers zoals Victoria Meadows, een professor in de astronomie aan de Universiteit van Washington, zijn gericht op de toekomstige observatoria, zoals de James Webb-ruimtetelescoop, of JWST, kon meten in exoplaneetatmosferen. Op 15 februari tijdens de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science in Seattle, Weiden, een hoofdonderzoeker van het Virtual Planetary Laboratory van de UW, zal een lezing houden om samen te vatten wat voor soort gegevens deze nieuwe observatoria kunnen verzamelen en wat ze kunnen onthullen over de atmosferen van terrestrische, Aardachtige exoplaneten. Meadows ging zitten met UW News om de belofte van deze nieuwe missies te bespreken om ons te helpen exoplaneten in een nieuw licht te bekijken.

Vraag:Welke veranderingen komen er op het gebied van exoplaneetonderzoek?

In de komende vijf tot tien jaar zal we krijgen mogelijk onze eerste kans om de atmosferen van terrestrische exoplaneten te observeren. Dit komt omdat er nieuwe observatoria online komen, waaronder de James Webb Space Telescope en observatoria op de grond, zoals de Extremely Large Telescope. Veel van ons recente werk in het Virtual Planetary Laboratory, maar ook door collega's van andere instellingen, heeft zich gericht op het simuleren van hoe aardachtige exoplaneten eruit zullen zien voor de JWST en telescopen op de grond. Dat stelt ons in staat de spectra te begrijpen die deze telescopen zullen oppikken, en wat die gegevens ons wel en niet zullen vertellen over die exoplaneetatmosferen.

Vraag:Welke soorten exoplaneetatmosferen zullen de JWST en andere missies kunnen karakteriseren?

Onze doelen zijn eigenlijk een selecte groep exoplaneten die dichtbij zijn - binnen 40 lichtjaar - en heel klein draaien, koele sterren. Als referentie, de Kepler-missie identificeerde exoplaneten rond sterren die groter zijn dan 1, 000 lichtjaren verwijderd. De kleinere gaststerren helpen ons ook om betere signalen te krijgen over waaruit de planetaire atmosferen zijn gemaakt, omdat de dunne laag planetaire atmosfeer meer licht van een kleinere ster kan blokkeren.

Er zijn dus een handvol exoplaneten waarop we ons concentreren om te zoeken naar tekenen van bewoonbaarheid en leven. Ze werden allemaal geïdentificeerd door grondonderzoeken zoals TRAPPIST en zijn opvolger, SPECULOOS - beide gerund door de Universiteit van Luik - evenals het MEarth-project van Harvard. De meest bekende exoplaneten in deze groep zijn waarschijnlijk de zeven terrestrische planeten die rond TRAPPIST-1 draaien. TRAPPIST-1 is een M-dwergster - een van de kleinste die je kunt hebben en nog steeds een ster zijn - en zijn zeven exoplaneten strekken zich uit van binnen tot en buiten de bewoonbare zone, met drie in de bewoonbare zone.

We hebben TRAPPIST-1 geïdentificeerd als het beste systeem om te bestuderen, omdat deze ster zo klein is dat we vrij grote en informatieve signalen kunnen krijgen van de atmosferen van deze werelden. Dit zijn allemaal neven van de aarde, maar met een heel andere ouderster, dus het zal heel interessant zijn om te zien hoe hun sferen zijn.

Vraag:Wat heb je tot nu toe geleerd over de atmosferen van de TRAPPIST-1 exoplaneten?

De astronomiegemeenschap heeft waarnemingen gedaan van het TRAPPIST-1-systeem, maar we hebben niets anders gezien dan 'niet-detecties'. Dat kan ons nog veel vertellen. Bijvoorbeeld, observaties en modellen suggereren dat deze exoplaneetatmosferen minder waarschijnlijk worden gedomineerd door waterstof, het lichtste element. Dat betekent dat ze ofwel helemaal geen atmosfeer hebben, of ze hebben atmosferen met een relatief hoge dichtheid, zoals de aarde.

Vraag:Helemaal geen sferen? Wat zou dat veroorzaken?

M-dwergsterren hebben een heel andere geschiedenis dan onze eigen zon. Na hun kindertijd, zonachtige sterren worden in de loop van de tijd helderder terwijl ze een fusie ondergaan.

M-dwergen beginnen groot en helder, terwijl ze door de zwaartekracht instorten tot de grootte die ze dan zullen hebben voor het grootste deel van hun leven. Dus, M-dwergplaneten zouden kunnen worden blootgesteld aan lange tijdsperioden - misschien wel een miljard jaar - van hoge intensiteit. Dat zou een planeet van zijn atmosfeer kunnen ontdoen, maar vulkanische activiteit kan ook de atmosfeer aanvullen. Op basis van hun dichtheden, we weten dat veel van de TRAPPIST-1-werelden waarschijnlijk reservoirs van verbindingen hebben - op veel hogere niveaus dan de aarde, eigenlijk - dat zou de atmosfeer kunnen aanvullen. De eerste significante JWST-resultaten voor TRAPPIST-1 zullen zijn:Welke werelden hebben de atmosfeer behouden? En welke soorten sferen zijn dat?

Ik ben stilletjes optimistisch dat ze een atmosfeer hebben vanwege die reservoirs, die we nog steeds detecteren. Maar ik laat me graag verrassen door de gegevens.

Naar wat voor soort signalen zullen de JWST en andere observatoria zoeken in de atmosferen van TRAPPIST-1 exoplaneten. Waarschijnlijk is het gemakkelijkste signaal om naar te zoeken de aanwezigheid van koolstofdioxide.

Vraag:Is CO2 een biosignatuur?

Niet op zichzelf, en niet alleen van een enkel signaal. Ik zeg altijd tegen mijn studenten:kijk goed, kijk naar links. Zowel Venus als Mars hebben atmosferen met veel CO2, maar geen leven. In de atmosfeer van de aarde, CO2-niveaus passen zich aan met onze seizoenen. In de lente, niveaus dalen naarmate planten groeien en nemen CO2 uit de atmosfeer. In de herfst, planten gaan kapot en CO2 stijgt. Dus als je seizoensfietsen ziet, dat zou een biosignatuur kunnen zijn. Maar seizoensgebonden waarnemingen zijn zeer onwaarschijnlijk met JWST.

In plaats daarvan, JWST kan zoeken naar een andere potentiële biosignatuur, methaangas in aanwezigheid van CO2. Methaan zou normaal gesproken een korte levensduur moeten hebben met CO2. Dus als we beide samen detecteren, iets produceert waarschijnlijk actief methaan. Op aarde, het grootste deel van het methaan in onze atmosfeer wordt geproduceerd door leven.

Vraag:Hoe zit het met het detecteren van zuurstof?

Zuurstof alleen is geen biosignatuur. Het hangt af van de niveaus en wat er nog meer in de atmosfeer is. Je zou een zuurstofrijke atmosfeer kunnen krijgen door het verlies van een oceaan, bijvoorbeeld:Licht splitst watermoleculen in waterstof en zuurstof. Waterstof ontsnapt in de ruimte, en zuurstof hoopt zich op in de atmosfeer.

De JWST zal waarschijnlijk niet direct zuurstof opnemen uit zuurstofrijke fotosynthese - de biosfeer die we nu gewend zijn. De Extreem Grote Telescoop en aanverwante observatoria kunnen misschien, omdat ze naar een andere golflengte kijken dan de JWST, waar ze een betere kans hebben om zuurstof te zien. De JWST zal beter zijn voor het detecteren van biosferen vergelijkbaar met wat we miljarden jaren geleden op aarde hadden, en om onderscheid te maken tussen verschillende soorten sferen.

Vraag:Wat zijn enkele van de verschillende soorten atmosferen die TRAPPIST-1 exoplaneten zouden kunnen hebben?

De hoge helderheidsfase van de M-dwerg kan een planeet naar een atmosfeer drijven met een op hol geslagen broeikaseffect, zoals Venus. Zoals ik eerder zei, je zou een oceaan kunnen verliezen en een zuurstofrijke atmosfeer hebben. Een derde mogelijkheid is om iets meer op de aarde te hebben.

V:Laten we het hebben over die tweede mogelijkheid. Hoe kon JWST een zuurstofrijke atmosfeer onthullen als het zuurstof niet direct kan detecteren?

Het mooie van de JWST is dat hij processen kan oppikken die plaatsvinden in de atmosfeer van een exoplaneet. Het zal de handtekeningen van botsingen tussen zuurstofmoleculen oppikken, wat vaker zal gebeuren in een zuurstofrijke atmosfeer. Dus we kunnen waarschijnlijk geen zuurstofhoeveelheden zien die verband houden met een fotosynthetische biosfeer. Maar als er een veel grotere hoeveelheid zuurstof achterbleef door oceaanverlies, we kunnen waarschijnlijk de botsingen van zuurstof in het spectrum zien, en dat is waarschijnlijk een teken dat de exoplaneet een oceaan heeft verloren.

Dus, Het is onwaarschijnlijk dat JWST ons een sluitend bewijs van biosignaturen zal geven, maar kan enkele verleidelijke hints geven, die verdere follow-up vereisen en - vooruitgaan - nadenken over nieuwe missies buiten de JWST. NASA overweegt al nieuwe missies. Wat zouden we willen dat hun capaciteiten zijn?

Dat brengt me ook bij een heel belangrijk punt:exoplaneetwetenschap is enorm interdisciplinair. Om de omgeving van deze werelden te begrijpen, moet je rekening houden met de baan, samenstelling, geschiedenis en gastheerster - en vereist de inbreng van astronomen, geologen, atmosferische wetenschappers, stellaire wetenschappers. Er is echt een dorp voor nodig om een ​​planeet te begrijpen.