NASA's James Webb Space Telescope onthult het universum met spectaculaire, ongekende helderheid. De ultrascherpe infraroodvisie van het observatorium heeft het kosmische stof doorgesneden om enkele van de vroegste structuren in het universum te verlichten, samen met voorheen verduisterde stellaire kraamkamers en draaiende sterrenstelsels die honderden miljoenen lichtjaren verwijderd zijn.

Webb kan niet alleen verder het universum in kijken dan ooit tevoren, maar zal het meest uitgebreide beeld van objecten in onze eigen melkweg vastleggen, namelijk enkele van de 5000 planeten die in de Melkweg zijn ontdekt. Astronomen maken gebruik van de lichtparingsprecisie van de telescoop om de atmosferen rond sommige van deze nabijgelegen werelden te decoderen. De eigenschappen van hun atmosferen kunnen aanwijzingen geven over hoe een planeet is ontstaan ​​en of ze tekenen van leven bevat.

Maar een nieuwe MIT-studie suggereert dat de hulpmiddelen die astronomen doorgaans gebruiken om op licht gebaseerde signalen te decoderen, mogelijk niet goed genoeg zijn om de gegevens van de nieuwe telescoop nauwkeurig te interpreteren. Met name opaciteitsmodellen - de hulpmiddelen die modelleren hoe licht interageert met materie als een functie van de eigenschappen van de materie - moeten mogelijk aanzienlijk worden aangepast om de precisie van Webb's gegevens te evenaren, zeggen de onderzoekers.

Als deze modellen niet verfijnd zijn? De onderzoekers voorspellen dat eigenschappen van planetaire atmosferen, zoals hun temperatuur, druk en elementaire samenstelling, een orde van grootte kunnen afwijken.

"Er is een wetenschappelijk significant verschil tussen de aanwezigheid van een verbinding als water met 5% versus 25%, wat de huidige modellen niet kunnen onderscheiden", zegt mede-onderzoeker Julien de Wit, assistent-professor aan het MIT's Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences (EAPS).

"Momenteel is het model dat we gebruiken om spectrale informatie te ontsleutelen niet in overeenstemming met de precisie en kwaliteit van de gegevens die we hebben van de James Webb-telescoop", voegt EAPS-afgestudeerde student Prajwal Niraula toe. "We moeten ons spel verbeteren en samen het ondoorzichtigheidsprobleem aanpakken."

De Wit, Niraula en hun collega's hebben hun studie gepubliceerd in Nature Astronomy . Co-auteurs zijn onder meer spectroscopie-experts Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva en Roman Kochanov van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Nivellering

Opaciteit is een maat voor hoe gemakkelijk fotonen door een materiaal gaan. Fotonen van bepaalde golflengten kunnen dwars door een materiaal gaan, worden geabsorbeerd of weer naar buiten worden gereflecteerd, afhankelijk van of en hoe ze interageren met bepaalde moleculen in een materiaal. Deze interactie hangt ook af van de temperatuur en druk van een materiaal.

Een opaciteitsmodel werkt op basis van verschillende aannames over hoe licht interageert met materie. Astronomen gebruiken opaciteitsmodellen om bepaalde eigenschappen van een materiaal af te leiden, gegeven het spectrum van licht dat het materiaal uitstraalt. In de context van exoplaneten kan een opaciteitsmodel het type en de overvloed aan chemicaliën in de atmosfeer van een planeet decoderen, gebaseerd op het licht van de planeet dat een telescoop vangt.

De Wit zegt dat het huidige state-of-the-art opaciteitsmodel, dat hij vergelijkt met een klassieke vertaaltool, een behoorlijke prestatie heeft geleverd bij het decoderen van spectrale gegevens die zijn opgenomen door instrumenten zoals die van de Hubble-ruimtetelescoop.

"Tot nu toe gaat het goed met deze Rosetta Stone", zegt de Wit. "Maar nu we met Webb's precisie naar het volgende niveau gaan, zal ons vertaalproces voorkomen dat we belangrijke subtiliteiten ontdekken, zoals die welke het verschil maken tussen een planeet die bewoonbaar is of niet."

Licht, verstoord

Hij en zijn collega's maken dit punt in hun onderzoek, waarin ze het meest gebruikte opaciteitsmodel op de proef stelden. Het team keek om te zien welke atmosferische eigenschappen het model zou krijgen als het zou worden aangepast om bepaalde beperkingen aan te nemen in ons begrip van hoe licht en materie op elkaar inwerken. De onderzoekers creëerden acht van dergelijke "verstoorde" modellen. Vervolgens voedden ze elk model, inclusief de echte versie, "synthetische spectra" - lichtpatronen die door de groep werden gesimuleerd en vergelijkbaar met de precisie die de James Webb-telescoop zou zien.

Ze ontdekten dat, op basis van dezelfde lichtspectra, elk verstoord model uitgebreide voorspellingen produceerde voor de eigenschappen van de atmosfeer van een planeet. Op basis van hun analyse concludeert het team dat, als bestaande opaciteitsmodellen worden toegepast op lichtspectra die door de Webb-telescoop zijn gemaakt, ze een "nauwkeurigheidsmuur" zullen raken. Dat wil zeggen, ze zullen niet gevoelig genoeg zijn om te bepalen of een planeet een atmosferische temperatuur heeft van 300 Kelvin of 600 Kelvin, of dat een bepaald gas 5% of 25% van een atmosferische laag inneemt.

"Dat verschil is belangrijk voor ons om planetaire vormingsmechanismen te beperken en op betrouwbare wijze biosignaturen te identificeren", zegt Niraula.

Het team ontdekte ook dat elk model ook een "goede pasvorm" met de gegevens produceerde, wat betekent dat, hoewel een verstoord model een chemische samenstelling produceerde waarvan de onderzoekers wisten dat deze onjuist was, het ook een lichtspectrum van die chemische samenstelling genereerde dat dichtbij was. genoeg om, of "passen" met het originele spectrum.

"We ontdekten dat er genoeg parameters zijn om te tweaken, zelfs met een verkeerd model, om toch een goede pasvorm te krijgen, wat betekent dat je niet zou weten dat je model verkeerd is en wat het je vertelt verkeerd is", legt de Wit uit.

Hij en zijn collega's brengen enkele ideeën naar voren voor het verbeteren van bestaande opaciteitsmodellen, waaronder de behoefte aan meer laboratoriummetingen en theoretische berekeningen om de aannames van de modellen over hoe licht en verschillende moleculen op elkaar inwerken te verfijnen, evenals samenwerkingen tussen disciplines, en in het bijzonder, tussen astronomie en spectroscopie.

"Er zou zoveel kunnen worden gedaan als we perfect wisten hoe licht en materie op elkaar inwerken", zegt Niraula. "We weten dat goed genoeg rond de omstandigheden van de aarde, maar zodra we naar verschillende soorten atmosferen gaan, veranderen de dingen, en dat zijn veel gegevens, met toenemende kwaliteit, die we riskeren verkeerd te interpreteren." + Verder verkennen

Zoeken in de lucht naar de bouwstenen van het leven in het universum

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.