Gli scienziati hanno scoperto migliaia di esopianeti, comprese dozzine di mondi terrestri o rocciosi nelle zone abitabili intorno alle loro stelle madri. Un approccio promettente alla ricerca di segni di vita su questi mondi è quello di sondare le atmosfere degli esopianeti alla ricerca di "biofirme", stranezze nella composizione chimica che sono segni rivelatori di vita. Per esempio, grazie alla fotosintesi, la nostra atmosfera è quasi il 21% di ossigeno, un livello molto più alto del previsto data la composizione della Terra, orbita e stella madre.

Trovare le firme biologiche non è un compito semplice. Gli scienziati utilizzano i dati su come le atmosfere degli esopianeti interagiscono con la luce della loro stella madre per conoscere le loro atmosfere. Ma le informazioni, o spettri, che possono raccogliere utilizzando gli odierni telescopi terrestri e spaziali è troppo limitato per misurare direttamente le atmosfere o rilevare le biofirme.

Ricercatori di esopianeti come Victoria Meadows, professore di astronomia all'Università di Washington, sono focalizzati su quali prossimi osservatori, come il telescopio spaziale James Webb, o JWST, potrebbe misurare nelle atmosfere degli esopianeti. Il 15 febbraio al meeting annuale dell'Associazione Americana per l'Avanzamento della Scienza a Seattle, Prati, un investigatore principale del Laboratorio Planetario Virtuale dell'UW, terrà un discorso per riassumere che tipo di dati possono raccogliere questi nuovi osservatori e cosa possono rivelare sulle atmosfere terrestri, Esopianeti simili alla Terra. Meadows si è seduto con UW News per discutere della promessa di queste nuove missioni per aiutarci a vedere gli esopianeti sotto una nuova luce.

D:Quali cambiamenti stanno arrivando nel campo della ricerca sugli esopianeti?

Nei prossimi 5-10 anni, avremo potenzialmente la nostra prima possibilità di osservare le atmosfere degli esopianeti terrestri. Questo perché nuovi osservatori stanno per entrare in funzione, compreso il James Webb Space Telescope e osservatori terrestri come l'Extremely Large Telescope. Molti dei nostri lavori recenti al Laboratorio Planetario Virtuale, nonché da colleghi di altre istituzioni, si è concentrato sulla simulazione di come appariranno gli esopianeti simili alla Terra al JWST e ai telescopi terrestri. Questo ci permette di capire gli spettri che questi telescopi rileveranno, e cosa ci diranno e cosa non ci diranno quei dati su quelle atmosfere di esopianeti.

D:Quali tipi di atmosfere di esopianeti saranno in grado di caratterizzare il JWST e altre missioni?

I nostri obiettivi sono in realtà un gruppo selezionato di esopianeti che si trovano nelle vicinanze, entro 40 anni luce, e orbitano molto piccoli, stelle fresche. Per riferimento, la missione Kepler ha identificato esopianeti attorno a stelle che sono più di 1, 000 anni luce di distanza. Le stelle ospiti più piccole ci aiutano anche a ottenere segnali migliori su come sono fatte le atmosfere planetarie perché il sottile strato di atmosfera planetaria può bloccare più luce di una stella più piccola.

Quindi ci sono una manciata di esopianeti su cui ci stiamo concentrando per cercare segni di abitabilità e vita. Tutti sono stati identificati da indagini a terra come TRAPPIST e il suo successore, SPECULOOS, entrambi gestiti dall'Università di Liegi, nonché dal progetto MEarth gestito da Harvard. Gli esopianeti più noti in questo gruppo sono probabilmente i sette pianeti terrestri in orbita attorno a TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 è una stella M-nana, una delle più piccole che puoi avere ed essere ancora una stella, e i suoi sette esopianeti si estendono all'interno e oltre la zona abitabile, con tre in zona abitabile.

Abbiamo identificato TRAPPIST-1 come il miglior sistema da studiare perché questa stella è così piccola che possiamo ottenere segnali abbastanza grandi e informativi dalle atmosfere di questi mondi. Questi sono tutti cugini della Terra, ma con una stella madre molto diversa, quindi sarà molto interessante vedere come sono le loro atmosfere.

D:Cosa hai imparato finora sulle atmosfere degli esopianeti TRAPPIST-1?

La comunità astronomica ha osservato il sistema TRAPPIST-1, ma non abbiamo visto altro che "non rilevamenti". Questo può ancora dirci molto. Per esempio, osservazioni e modelli suggeriscono che queste atmosfere di esopianeti hanno meno probabilità di essere dominate dall'idrogeno, l'elemento più leggero. Ciò significa che o non hanno affatto atmosfere, o hanno atmosfere relativamente ad alta densità come la Terra.

D:Niente atmosfere? Cosa lo causerebbe?

Le stelle M-nane hanno una storia molto diversa dal nostro sole. Dopo la loro infanzia, le stelle simili al sole si illuminano nel tempo mentre subiscono la fusione.

M-nani iniziano grandi e luminosi, poiché collassano gravitazionalmente fino alle dimensioni che avranno per la maggior parte della loro vita. Così, I pianeti M-nani potrebbero essere soggetti a lunghi periodi di tempo, forse fino a un miliardo di anni, di luminosità ad alta intensità. Che potrebbe spogliare un pianeta della sua atmosfera, ma l'attività vulcanica può anche ricostituire le atmosfere. In base alla loro densità, sappiamo che molti dei mondi TRAPPIST-1 hanno probabilmente riserve di composti, a livelli molto più alti della Terra, in realtà, questo potrebbe ricostituire l'atmosfera. I primi risultati significativi di JWST per TRAPPIST-1 saranno:Quali mondi hanno mantenuto le atmosfere? E che tipi di atmosfere sono?

Sono tranquillamente ottimista sul fatto che abbiano atmosfere a causa di quei serbatoi, che stiamo ancora rilevando. Ma sono disposto a essere sorpreso dai dati.

Quali tipi di segnali cercheranno il JWST e altri osservatori nelle atmosfere degli esopianeti TRAPPIST-1. Probabilmente il segnale più semplice da cercare sarà la presenza di anidride carbonica.

D:La CO2 è una biofirma?

Non da solo, e non solo da un singolo segnale. Dico sempre ai miei studenti:guarda bene, guardare a sinistra. Sia Venere che Marte hanno atmosfere con alti livelli di CO2, ma niente vita. Nell'atmosfera terrestre, I livelli di CO2 si adeguano alle nostre stagioni. In primavera, i livelli si abbassano man mano che le piante crescono ed eliminano la CO2 dall'atmosfera. In autunno, le piante si rompono e la CO2 aumenta. Quindi, se vedi il ciclismo stagionale, potrebbe essere una biofirma. Ma le osservazioni stagionali sono molto improbabili con JWST.

Anziché, JWST può cercare un'altra potenziale biofirma, gas metano in presenza di CO2. Il metano dovrebbe normalmente avere una vita breve con la CO2. Quindi se rileviamo entrambi insieme, qualcosa probabilmente sta producendo attivamente metano. Sulla terra, la maggior parte del metano nella nostra atmosfera è prodotto dalla vita.

D:Che ne dici di rilevare l'ossigeno?

L'ossigeno da solo non è una biofirma. Dipende dai suoi livelli e da cos'altro c'è nell'atmosfera. Potresti avere un'atmosfera ricca di ossigeno dalla perdita di un oceano, per esempio:la luce divide le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. L'idrogeno fugge nello spazio, e l'ossigeno si accumula nell'atmosfera.

Il JWST probabilmente non raccoglierà direttamente l'ossigeno dalla fotosintesi ossigenata, la biosfera a cui siamo abituati ora. L'Extremely Large Telescope e i relativi osservatori potrebbero essere in grado di, perché guarderanno a una lunghezza d'onda diversa rispetto al JWST, dove avranno maggiori possibilità di vedere l'ossigeno. Il JWST sarà migliore per rilevare biosfere simili a quelle che avevamo sulla Terra miliardi di anni fa, e per la differenziazione tra diversi tipi di atmosfere.

D:Quali sono alcuni dei diversi tipi di atmosfere che potrebbero possedere gli esopianeti TRAPPIST-1?

La fase ad alta luminosità del nano-M potrebbe spingere un pianeta verso un'atmosfera con un effetto serra incontrollato, come Venere. Come ho detto prima, potresti perdere un oceano e avere un'atmosfera ricca di ossigeno. Una terza possibilità è avere qualcosa di più simile alla Terra.

D:Parliamo di questa seconda possibilità. Come potrebbe JWST rivelare un'atmosfera ricca di ossigeno se non può rilevare direttamente l'ossigeno?

La bellezza del JWST è che può rilevare i processi che accadono nell'atmosfera di un esopianeta. Rileverà le firme delle collisioni tra le molecole di ossigeno, che accadrà più spesso in un'atmosfera ricca di ossigeno. Quindi probabilmente non possiamo vedere le quantità di ossigeno associate a una biosfera fotosintetica. Ma se una quantità molto maggiore di ossigeno fosse lasciata indietro dalla perdita dell'oceano, possiamo probabilmente vedere le collisioni di ossigeno nello spettro, e questo è probabilmente un segno che l'esopianeta ha perso un oceano.

Così, È improbabile che JWST ci fornisca una prova conclusiva delle firme biologiche, ma potrebbe fornire alcuni suggerimenti allettanti, che richiedono ulteriore follow-up e, andando avanti, pensando a nuove missioni oltre il JWST. La NASA sta già valutando nuove missioni. Quali vorremmo che fossero le loro capacità?

Questo mi porta anche a un punto molto importante:la scienza degli esopianeti è fortemente interdisciplinare. Comprendere l'ambiente di questi mondi richiede di considerare l'orbita, composizione, storia e stella ospitante, e richiede il contributo di astronomi, geologi, scienziati atmosferici, scienziati stellari. Ci vuole davvero un villaggio per capire un pianeta.