S Vesmírnym ďalekohľadom Jamesa Webba vstúpila astronómia do novej éry.
Trojdimenzionálna ilustrácia Vesmírneho ďalekohľadu Jamesa Webba. Zdroj: iStock.com/alex-mit
Už nám nestačí vedieť, že tam niekde exoplanéty sú a aké sú veľké. Dnes dokážeme analyzovať ich chemické zloženie a hľadať stopy, ktoré by mohli naznačovať prítomnosť oceánov či dokonca života, a to všetko vo vzdialenosti stoviek svetelných rokov.
Ešte pred niekoľkými rokmi sme boli schopní detegovať len tie najzákladnejšie prvky v atmosférach obrovských planét. Súčasná technológia, reprezentovaná najmä prístrojmi na Vesmírnom ďalekohľade Jamesa Webba (JWST), nám však dovoľuje analyzovať zloženie atmosféry aj na menších planétach. Kľúčom k tomuto poznaniu je metóda nazývaná tranzitná spektroskopia. Ide o techniku, ktorá skúma svetlo rozložené na jednotlivé farebné zložky (spektrum) a hľadá v ňom stopy po chemických prvkoch.
Svetlo prechádza cez filter
Ako dokážeme zistiť zloženie vzduchu na planéte, ktorú ani tým najlepším ďalekohľadom nevidíme alebo nanajvýš ako malú bodku (alebo ani to nie)? Princíp pripomína čiarový kód v obchode.
Keď exoplanéta (planéta mimo našej slnečnej sústavy) prechádza popred svoju materskú hviezdu, dôjde k takzvanému tranzitu: planéta hviezdu mierne zatieni. Malý zlomok hviezdneho svetla sa prefiltruje priamo cez okraj jej atmosféry.
Atmosféra funguje ako chemické sito. Rôzne molekuly (napríklad voda, metán alebo oxid uhličitý) pohlcujú svetlo na veľmi špecifických vlnových dĺžkach (farbách). Výsledkom je spektrum – dúha, v ktorej chýbajú určité farby. Chýbajúce úseky sú chemickými odtlačkami vesmíru. Ak v spektre chýba svetlo na konkrétnej vlnovej dĺžke, vedci vedia s istotou určiť, ktorá molekula ho „zjedla“.
Podľa vedcov z Cambridgea je to zložité
Znie to jednoducho, no v praxi ide o extrémne náročný proces. Surové dáta z ďalekohľadu nie sú čistým grafom, ale zašumeným signálom. Na problém sa detailne pozreli vedci z Inštitútu astronómie Cambridgeskej univerzity. Vo svojej štúdii upozorňujú na fakt, že Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba je taký citlivý, že zachytáva aj to, čo nechceme.
Keďže ďalekohľad často používa režim bez štrbiny (slitless spectroscopy), aby zachytil čo najviac svetla, na detektor môžu dopadať aj lúče z iných, vzdialených hviezd v pozadí. Táto kontaminácia inými hviezdami môže vytvárať falošné signály. Vedci z Cambridgea preto vyvinuli zložité matematické modely, ktoré dokážu tento svetelný balast odstrániť a vyčistiť dáta tak, aby sme videli skutočné zloženie atmosféry skúmanej planéty.
Biosignatúry a problém 3-sigma
Svätým grálom tohto výskumu sú biosignatúry – plyny, ktoré by v atmosfére nemali existovať vo veľkých množstvách, pokiaľ ich tam nedopĺňa živý organizmus (na Zemi napríklad kyslík alebo metán).
Aktuálne sa veľká pozornosť sústreďuje na nový typ exoplanét nazývaných hyceánske svety (z angl. hydrogen + ocean). Ide o planéty väčšie ako Zem, pokryté globálnym oceánom a obalené hustou vodíkovou atmosférou. Práve v takýchto podmienkach by mohli existovať mikrobiálne formy života.
Výrazným kandidátom na takýto svet je planéta K2-18b, vzdialená 124 svetelných rokov. Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba v jej atmosfére detegoval metán a oxid uhličitý, pričom dôležitá bola absencia amoniaku, čo nepriamo naznačuje prítomnosť vodného oceánu, ktorý amoniak pohltil.
Veľkú diskusiu nedávno vyvolala možná detekcia dimetylsulfidu (DMS) práve na tejto planéte. Na Zemi túto látku produkuje takmer výlučne morský fytoplanktón. Vedci však pri tomto objave hovoria o istote na úrovni 3-sigma, čo zodpovedá pravdepodobnosti na 99,7 percenta.
Takto by mohla exoplanéta K2-18 b vyzerať na základe vedeckých údajov, ktoré zozbieral Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba. Zdroj ilustrácie: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Prečo 99,7 percenta nestačí?
Pre bežného človeka znie 99,7 percenta ako takmer absolútna istota. Vo vede, a najmä v astrofyzike, je to však stále málo.
- Šum a náhoda. Predstavte si, že v rádiu počujete šum a zdá sa vám, že ste začuli svoje meno. Je to skutočne vaše meno alebo len náhodné zhluknutie zvukov, ktoré ho pripomínalo? Pri úrovni 3-sigma existuje šanca približne 1 k 370, že nameraný signál je len náhodný šum prístroja alebo štatistická chyba.
- Zlatý štandard. Aby vedci mohli vyhlásiť definitívny objav (napríklad objav života), vyžadujú úroveň 5-sigma. To zodpovedá istote 99,999 94 percenta, kde je šanca na omyl len 1 k 3,5 milióna. Kým sa nedosiahne táto hranica, 99,7 percenta sa považuje len za silný náznak, nie za dôkaz.
Extrémne počasie na horúcich plynných obroch
Spektroskopia nám však nehovorí len o možnom živote. Odhaľuje aj podmienky na planétach, ktoré sú pre život určujúce. Vedci z Cambridgea vo svojej práci analyzovali dáta z dvoch horúcich plynných obrov – planét, ktoré sa zložením podobajú Jupiteru, no obiehajú extrémne blízko svojich hviezd.
- WASP-39 b. Na tejto planéte s teplotou okolo 900 stupňov Celzia analýza odhalila nielen vodu, ale aj oxid siričitý (SO2). Ten vzniká fotochemickými reakciami v atmosfére vplyvom drvivého žiarenia hviezdy. Je to po prvýkrát, čo sme videli takúto aktívnu chémiu v atmosfére inej planéty.
- WASP-96 b. Ďalší horúci obor, kde teplota presahuje 1 000 stupňov Celzia. Zatiaľ čo mnohé podobné planéty sú zahalené hustými oblakmi, ktoré bránia v analýze hlbších vrstiev, spektroskopia ukázala, že WASP-96 b má atmosféru prekvapujúco čistú a bez mrakov. Prístroje tam jasne detegovali sodík (Na) a draslík (K) v plynnom skupenstve.
Vďaka týmto technológiám sa vesmír mení z miesta plného neznámych svetiel na obrovské chemické laboratórium, ktoré postupne odhaľuje svoje tajomstvá – či už ide o pekelné búrky na plynných obroch, alebo o potenciálne známky života na vodných svetoch.
Zdroje: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, SPACE.com, NASA
(KAM)
