Il telescopio spaziale James Webb della NASA sta rivelando l'universo con una chiarezza spettacolare e senza precedenti. La visione infrarossa ultra nitida dell'osservatorio ha tagliato la polvere cosmica per illuminare alcune delle prime strutture dell'universo, insieme a vivai stellari precedentemente oscurati e galassie rotanti che si trovano a centinaia di milioni di anni luce di distanza.

Oltre a vedere più lontano che mai nell'universo, Webb catturerà la visione più completa degli oggetti nella nostra galassia, vale a dire, alcuni dei 5.000 pianeti che sono stati scoperti nella Via Lattea. Gli astronomi stanno sfruttando la precisione di analisi della luce del telescopio per decodificare le atmosfere che circondano alcuni di questi mondi vicini. Le proprietà delle loro atmosfere potrebbero fornire indizi su come si è formato un pianeta e se ospita segni di vita.

Ma un nuovo studio del MIT suggerisce che gli strumenti che gli astronomi usano tipicamente per decodificare i segnali basati sulla luce potrebbero non essere abbastanza buoni per interpretare accuratamente i dati del nuovo telescopio. In particolare, i modelli di opacità, gli strumenti che modellano il modo in cui la luce interagisce con la materia in funzione delle proprietà della materia, potrebbero richiedere una risintonizzazione significativa per abbinare la precisione dei dati di Webb, affermano i ricercatori.

Se questi modelli non sono raffinati? I ricercatori prevedono che le proprietà delle atmosfere planetarie, come la loro temperatura, pressione e composizione elementare, potrebbero variare di un ordine di grandezza.

"C'è una differenza scientificamente significativa tra un composto come l'acqua presente al 5% rispetto al 25%, che i modelli attuali non possono differenziare", afferma il co-leader dello studio Julien de Wit, assistente professore presso il Dipartimento di scienze della terra, dell'atmosfera e dei pianeti del MIT (EAPS).

"Attualmente, il modello che utilizziamo per decrittografare le informazioni spettrali non è all'altezza della precisione e della qualità dei dati che abbiamo dal telescopio James Webb", aggiunge Prajwal Niraula, dottorando dell'EAPS. "Dobbiamo migliorare il nostro gioco e affrontare insieme il problema dell'opacità."

De Wit, Niraula e i loro colleghi hanno pubblicato il loro studio su Nature Astronomy . I coautori includono gli esperti di spettroscopia Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva e Roman Kochanov dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Salire di livello

L'opacità è una misura della facilità con cui i fotoni passano attraverso un materiale. I fotoni di determinate lunghezze d'onda possono passare direttamente attraverso un materiale, essere assorbiti o essere riflessi all'esterno a seconda se e come interagiscono con determinate molecole all'interno di un materiale. Questa interazione dipende anche dalla temperatura e dalla pressione di un materiale.

Un modello di opacità funziona sulla base di vari presupposti su come la luce interagisce con la materia. Gli astronomi utilizzano modelli di opacità per ricavare determinate proprietà di un materiale, dato lo spettro di luce che il materiale emette. Nel contesto degli esopianeti, un modello di opacità può decodificare il tipo e l'abbondanza di sostanze chimiche nell'atmosfera di un pianeta, in base alla luce del pianeta catturata da un telescopio.

De Wit afferma che l'attuale modello di opacità all'avanguardia, che paragona a uno strumento di traduzione linguistica classico, ha svolto un lavoro decente nel decodificare i dati spettrali presi da strumenti come quelli del telescopio spaziale Hubble.

"Finora, questa Rosetta Stone ha funzionato bene", dice de Wit. "Ma ora che stiamo passando al livello successivo con la precisione di Webb, il nostro processo di traduzione ci impedirà di cogliere sottigliezze importanti, come quelle che fanno la differenza tra un pianeta abitabile o meno."

Leggero, turbato

Lui e i suoi colleghi sottolineano questo punto nel loro studio, in cui hanno messo alla prova il modello di opacità più comunemente usato. Il team ha cercato di vedere quali proprietà atmosferiche deriverebbe dal modello se fosse ottimizzato per assumere determinati limiti nella nostra comprensione di come la luce e la materia interagiscono. I ricercatori hanno creato otto di questi modelli "perturbati". Hanno quindi alimentato ogni modello, inclusa la versione reale, "spettri sintetici", schemi di luce simulati dal gruppo e simili alla precisione che vedrebbe il telescopio James Webb.

Hanno scoperto che, sulla base degli stessi spettri di luce, ogni modello perturbato produceva previsioni ad ampio raggio per le proprietà dell'atmosfera di un pianeta. Sulla base della loro analisi, il team conclude che, se i modelli di opacità esistenti vengono applicati agli spettri di luce presi dal telescopio Webb, colpiranno un "muro di precisione". Cioè, non saranno abbastanza sensibili per dire se un pianeta ha una temperatura atmosferica di 300 Kelvin o 600 Kelvin, o se un certo gas occupa il 5% o il 25% di uno strato atmosferico.

"Questa differenza è importante per noi per limitare i meccanismi di formazione planetaria e identificare in modo affidabile le biofirme", afferma Niraula.

Il team ha anche scoperto che ogni modello ha anche prodotto un "buon adattamento" con i dati, il che significa che, anche se un modello perturbato ha prodotto una composizione chimica che i ricercatori sapevano essere errata, ha anche generato uno spettro di luce da quella composizione chimica che era vicino abbastanza per, o "adattarsi" con lo spettro originale.

"Abbiamo scoperto che ci sono abbastanza parametri da modificare, anche con un modello sbagliato, per ottenere comunque una buona vestibilità, il che significa che non sapresti che il tuo modello è sbagliato e che ciò che ti dice è sbagliato", spiega de Wit.

Lui e i suoi colleghi sollevano alcune idee su come migliorare i modelli di opacità esistenti, inclusa la necessità di ulteriori misurazioni di laboratorio e calcoli teorici per perfezionare le ipotesi dei modelli su come interagiscono la luce e le varie molecole, nonché collaborazioni tra le discipline e, in particolare, tra astronomia e spettroscopia.

"C'è così tanto che si potrebbe fare se sapessimo perfettamente come la luce e la materia interagiscono", afferma Niraula. "Lo sappiamo abbastanza bene riguardo alle condizioni della Terra, ma non appena ci spostiamo in diversi tipi di atmosfere, le cose cambiano e sono molti i dati, con una qualità crescente, che rischiamo di interpretare erroneamente". + Esplora ulteriormente

Alla ricerca nei cieli degli elementi costitutivi della vita nell'universo

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.