Nel 2021, L'osservatorio di nuova generazione della NASA, il telescopio spaziale James Webb (JWST), prenderà lo spazio. Una volta operativo, questa missione di punta riprenderà dove altri telescopi spaziali, come Hubble, Keplero e Spitzer, lasciati. Ciò significa che oltre a indagare su alcuni dei più grandi misteri cosmici, cercherà anche pianeti extrasolari potenzialmente abitabili e tenterà di caratterizzare le loro atmosfere.

Questo fa parte di ciò che distingue il JWST dai suoi predecessori. Tra la sua elevata sensibilità e capacità di imaging a infrarossi, sarà in grado di raccogliere dati sulle atmosfere degli esopianeti come mai prima d'ora. Però, come dimostrato di recente da uno studio finanziato dalla NASA, i pianeti che hanno atmosfere dense potrebbero anche avere un'ampia copertura nuvolosa, che potrebbe complicare i tentativi di raccogliere alcuni dei dati più importanti di tutti.

Per anni, gli astronomi hanno utilizzato la fotometria di transito (AKA il metodo di transito) per rilevare gli esopianeti monitorando le stelle lontane per i cali di luminosità. Questo metodo si è dimostrato utile anche nel determinare la composizione atmosferica di alcuni pianeti. Mentre questi corpi passano davanti alle loro stelle, la luce attraversa l'atmosfera del pianeta, i cui spettri vengono poi analizzati per vedere quali elementi chimici sono presenti.

Finora, questo metodo è stato utile durante l'osservazione di pianeti massicci (giganti gassosi e "super-Giove") che orbitano attorno ai loro soli a grandi distanze. Però, osservando più piccoli, pianeti rocciosi (cioè pianeti "simili alla Terra") che orbitano più vicini ai loro soli, che li collocherebbe nella zona abitabile della stella, è andato oltre le capacità dei telescopi spaziali.

Per questa ragione, la comunità astronomica ha atteso con impazienza i telescopi di prossima generazione come il JWST. Esaminando gli spettri di luce che attraversano l'atmosfera di un pianeta roccioso (un metodo noto come spettroscopia di trasmissione) gli scienziati saranno in grado di cercare gli indicatori rivelatori del gas ossigeno, diossido di carbonio, metano, e altri segni associati alla vita (AKA "biofirme").

Un altro elemento critico per la vita come la conosciamo è l'acqua, quindi le firme del vapore acqueo nell'atmosfera di un pianeta sono un obiettivo primario per i sondaggi futuri. Ma in un nuovo studio condotto da Thaddeus Komacek, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze Geofisiche dell'Università di Chicago, è possibile che qualsiasi pianeta con abbondante acqua di superficie abbia anche abbondanti nubi (particelle di ghiaccio in condensa) nella sua atmosfera.

Per il bene di questo studio, Komacek e i suoi colleghi hanno esaminato se queste nuvole avrebbero interferito con i tentativi di rilevare il vapore acqueo nelle atmosfere degli esopianeti terrestri. A causa del numero di esopianeti rocciosi scoperti negli ultimi anni nelle zone abitabili delle stelle di tipo M (nane rosse), come Proxima b, le vicine nane rosse saranno al centro delle indagini future.

Come ha spiegato Komack a Universe Today via e-mail, i pianeti con blocco di marea che orbitano attorno a stelle nane rosse sono adatti per studi che coinvolgono la spettroscopia di trasmissione, e per una serie di ragioni:

"I pianeti in transito in orbita attorno a stelle nane rosse sono bersagli più favorevoli di quelli in orbita attorno a stelle simili al sole perché il rapporto tra le dimensioni del pianeta e le dimensioni della stella è maggiore. La dimensione del segnale nelle scale di trasmissione come il quadrato del rapporto dalla dimensione del pianeta alla dimensione della stella, quindi c'è un aumento significativo nel segnale che va alle stelle più piccole della Terra.

"Un altro motivo per cui i pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse sono più favorevoli all'osservazione è perché la 'zona abitabile, "o dove ci aspettiamo che ci sia acqua liquida sulla superficie del pianeta, è molto più vicino alla stella... A causa di queste orbite più vicine, pianeti rocciosi abitabili in orbita attorno a stelle nane rosse transiteranno molto più spesso sulla loro stella, che consente agli osservatori di effettuare molte osservazioni ripetute."

Con questo in testa, Komacek e il suo team hanno impiegato due modelli in combinazione per generare spettri di trasmissione sintetici di pianeti bloccati dalle maree attorno a stelle di tipo M. Il primo è stato ExoCAM, sviluppato dal Dr. Eric Wolf del Laboratorio di fisica dell'atmosfera e dello spazio dell'Università del Colorado (LASP), un modello comunitario del sistema Terra (CESM) utilizzato per simulare il clima della Terra, che è stato adattato per studiare le atmosfere degli esopianeti.

Utilizzando il modello ExoCAM, hanno simulato il clima di pianeti rocciosi in orbita attorno a stelle nane rosse. Secondo, hanno impiegato il Planetary Spectrum Generator sviluppato dal Goddard Space Flight Center della NASA per simulare lo spettro di trasmissione che il JWST avrebbe rilevato dal loro pianeta simulato. Come ha spiegato Komacek:"Queste simulazioni ExoCAM hanno calcolato le distribuzioni tridimensionali della temperatura, rapporto di miscelazione del vapore acqueo, e particelle di nuvole di acqua liquida e ghiacciata. Abbiamo scoperto che i pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse sono molto più nuvolosi della Terra. Questo perché tutta la loro parte diurna ha un clima simile ai tropici della Terra, e così il vapore acqueo viene facilmente portato a basse pressioni, dove può condensare e formare nuvole che coprono gran parte del lato diurno del pianeta... PSG ha dato risultati per la dimensione apparente del pianeta in trasmissione in funzione della lunghezza d'onda, insieme all'incertezza. Osservando come la dimensione del segnale è cambiata con la lunghezza d'onda, siamo stati in grado di determinare la dimensione delle caratteristiche del vapore acqueo e confrontarle con il livello di incertezza."

Tra questi due modelli, il team è stato in grado di simulare pianeti con e senza copertura nuvolosa, e ciò che il JWST sarebbe in grado di rilevare di conseguenza. Nel caso del primo, hanno scoperto che il vapore acqueo nell'atmosfera dell'esopianeta sarebbe quasi certamente rilevabile. Hanno anche scoperto che questo potrebbe essere fatto per esopianeti delle dimensioni della Terra in soli 10 transiti o meno.

"[W] quando abbiamo incluso gli effetti delle nuvole, il numero di transiti che JWST doveva osservare per rilevare il vapore acqueo aumentato di un fattore da 10 a 100, " ha detto Komacek. "C'è un limite naturale al numero di transiti che JWST può osservare per un dato pianeta perché JWST ha una durata nominale della missione di cinque anni, e l'osservazione della trasmissione può essere effettuata solo quando il pianeta passa tra noi e la sua stella ospite."

Hanno anche scoperto che l'impatto della copertura nuvolosa era particolarmente forte con i pianeti a rotazione più lenta attorno alle nane rosse. Fondamentalmente, i pianeti che hanno periodi orbitali più lunghi di circa 12 giorni sperimenterebbero più formazione di nubi sui loro lati diurni. "Abbiamo scoperto che per i pianeti in orbita attorno a una stella come TRAPPIST-1 (l'obiettivo più favorevole conosciuto), JWST non sarebbe in grado di osservare transiti sufficienti per rilevare il vapore acqueo, " disse Komacek.

Questi risultati sono simili a quelli che altri ricercatori hanno notato, Ha aggiunto. L'anno scorso, uno studio condotto dai ricercatori della NASA Goddard ha mostrato come la copertura nuvolosa renderebbe il vapore acqueo non rilevabile nelle atmosfere dei pianeti TRAPPIST-1. All'inizio di questo mese, un altro studio della NASA supportato da Goddard ha mostrato che le nuvole abbasseranno l'ampiezza del vapore acqueo al punto che il JWST le eliminerebbe come rumore di fondo.

Ma prima di pensare che siano tutte cattive notizie, questo studio presenta alcuni suggerimenti per superare queste limitazioni. Ad esempio, se il tempo della missione è un fattore, la missione JWST può essere estesa in modo che gli scienziati abbiano più tempo per raccogliere dati. Già, La NASA spera di avere il telescopio spaziale in funzione per 10 anni, quindi un'estensione della missione è già una possibilità.

Allo stesso tempo, una soglia segnale-rumore abbassata per il rilevamento potrebbe consentire di prelevare più segnali dagli spettri (sebbene ciò significherebbe più falsi positivi, anche). Inoltre, Komacek e i suoi colleghi notano che questi risultati si applicano solo alle caratteristiche che si trovano al di sotto del ponte di nuvole sugli esopianeti:"Poiché il vapore acqueo è per lo più intrappolato al di sotto del livello delle nuvole d'acqua, la forte copertura nuvolosa sui pianeti in orbita attorno alle stelle nane rosse rende incredibilmente difficile rilevare le caratteristiche dell'acqua. È importante sottolineare che si prevede che JWST sarà ancora in grado di limitare la presenza di costituenti atmosferici chiave come l'anidride carbonica e il metano in solo una dozzina di transiti o giù di lì".

Di nuovo, questi risultati sono supportati da ricerche precedenti. L'anno scorso, uno studio dell'Università di Washington ha esaminato la rilevabilità e le caratteristiche dei pianeti TRAPPIST-1 e ha scoperto che è improbabile che le nuvole abbiano un impatto significativo sulla rilevabilità delle caratteristiche dell'ossigeno e dell'ozono, due biofirme chiave associate alla presenza della vita .

Quindi davvero, il JWST potrebbe avere solo difficoltà a rilevare il vapore acqueo nelle atmosfere degli esopianeti, almeno per quanto riguarda la copertura nuvolosa densa. Il JWST non dovrebbe avere problemi a fiutare altre biofirme, nuvole o non nuvole. Grandi cose dovrebbero venire da Webb, Il telescopio spaziale più potente e sofisticato della NASA fino ad oggi, e tutto comincerà l'anno prossimo.