天文学者は、JWST惑星信号を誤解するリスクを警告します

天文学者は、JWST惑星信号を誤解するリスクを警告します
2022年09.16 ニュースリリース
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現在のモデルを改良することは、新しい望遠鏡からのデータで太陽系外惑星の特性 (および生命の兆候) の正確な詳細を明らかにするために不可欠である、とチームは述べています。


クレジット: Jose-Luis Olivares、MIT。James Webb のアイコンは NASA 提供。
マサチューセッツ州ケンブリッジ– 天文学者は、NASA の最新の宇宙望遠鏡 JWST を利用して、近くの世界の大気を解読しています。これらの惑星大気の特性は、惑星がどのように形成され、生命の兆候があるかどうかの手がかりを与える可能性があります。

しかし、天体物理学センターが主導する、Nature Astronomyの新しい研究| ハーバード & スミソニアンと MIT は、天文学者が惑星の信号を解読するために通常使用するツールは、新しい望遠鏡のデータを正確に解釈するには十分ではない可能性があることを示唆しています。具体的には、不透明度モデル (物質の特性の関数として光が物質とどのように相互作用するかをモデル化するツール) は、Webb のデータの精度と一致させるために大幅な改良が必要になる可能性があると研究者は述べています。
「不透明度モデルの制限を適切に考慮し、それらを排除する努力をすることは、JWST の時代には不可欠です」と、天体物理学センターに拠点を置く天体物理学者で研究の共著者であるIouli Gordonは述べています。
これらのモデルが洗練されていない場合は? 研究者たちは、温度、圧力、元素組成などの惑星大気の特性が、桁違いにずれている可能性があると予測しています。
「水などの化合物が 5% 存在する場合と 25% 存在する場合との間には、科学的に有意な違いがあり、現在のモデルでは区別できません」と、MIT の地球、大気、惑星科学部門の助教授である責任著者の Julien de Wit は言います ( EAP)。

レベルアップ
不透明度は、フォトンがマテリアルをどの程度容易に通過するかの尺度です。特定の波長の光子は、材料内の特定の分子と相互作用するかどうか、およびどのように相互作用するかに応じて、材料をまっすぐ通過するか、吸収されるか、または反射されます。この相互作用は、材料の温度と圧力にも依存します。
不透明度モデルは、光が物質とどのように相互作用するかについてのさまざまな仮定に基づいて機能します。天文学者は不透明度モデルを使用して、物質が放出する光のスペクトルを考慮して、物質の特定の特性を導き出します。惑星のコンテキストでは、不透明度モデルは、望遠鏡が捉える惑星からの光に基づいて、惑星の大気中の化学物質の種類と量を解読できます。
チームによると、現在の最先端の不透明度モデルは、古典的な言語翻訳ツールであるロゼッタ ストーンに例えられ、ハッブル宇宙望遠鏡などの機器によってキャプチャされたスペクトル データをうまく解読できました。 .
「これまでのところ、この『ロゼッタ ストーン』は順調に進んでいます」と de Wit 氏は言います。「しかし、ウェッブの精度で次のレベルに進んでいるので、私たちの翻訳プロセスでは、惑星が居住可能かどうかの違いを生むものなど、重要な微妙な点を捉えることができなくなります。」

光、摂動
チームは、最も一般的に使用される不透明度モデルをテストする研究でこの点を指摘しています。科学者たちは、光と物質がどのように相互作用するかを理解する上で特定の制限を想定するためにモデルを微調整した場合に、モデルがどのような大気特性を導き出すかを調べました。研究者たちは、そのような「摂動」モデルを 8 つ作成しました。次に、実際のバージョンの「合成スペクトル」を含む各モデルにデータを供給しました。これは、グループによってシミュレートされ、JWST が確認する精度と同様の光のパターンです。
彼らは、同じ光スペクトルに基づいて、各摂動モデルが惑星の大気の特性について広範囲の予測を生成することを発見しました。彼らの分析に基づいて、チームは、既存の不透明度モデルが Webb 望遠鏡によって取得された光スペクトルに適用される場合、「精度の壁」にぶつかると結論付けています。つまり、惑星の大気温度が 300 ケルビンか 600 ケルビンか、または特定のガスが大気層の 5 パーセントまたは 25 パーセントを占めているかどうかを判断するには、感度が十分ではありません。
チームはまた、すべてのモデルがデータと「よく適合」することも発見しました。つまり、摂動モデルが研究者が間違っていると知っている化学組成を生成したとしても、その化学組成から近い光スペクトルを生成したことを意味します。元のスペクトルに十分、または「適合」します。
「モデルが間違っていても、微調整するのに十分なパラメーターがあることがわかりました。これにより、モデルが間違っていることや、モデルが間違っていることを伝えていることに気付かないことを意味します」と de Wit 氏は説明します。
彼と彼の同僚は、既存の不透明度モデルを改善する方法についていくつかのアイデアを提起します。これには、光とさまざまな分子がどのように相互作用するかについてのモデルの仮定を改善するための実験室での測定と理論計算の必要性、および分野間のコラボレーションが含まれます。天文学と分光法の間。
「多様な系外惑星大気からのスペクトルを確実に解釈するためには、関連する分子分光パラメータの新しい正確な測定と計算のための広範なキャンペーンが必要です」とゴードンは言います。「これらのパラメータは、リファレンス分光データベース、ひいては天文学者が使用するモデルに速やかに実装する必要があります。」
研究の共著者で天体物理学センターの科学者であるRobert Hargreavesは、次のように付け加えています。これらの新しい世界の基本的な特性を正確に推測するための適切な分光学的データとモデルを持っています。」
追加の共著者は、MIT の Prajwal Niraula (筆頭著者) です。バード大学のクララ・スーザ・シルバ。2014年から2018年まで天体物理学センターのポスドク助手であり、2020年には研究期間中だったロマン・コチャノフ。

この記事のバージョンは、もともとMIT New Office Web サイトで公開されていました。

天体物理学センターについて | ハーバードとスミソニアン

天体物理学センター | Harvard & Smithsonian は、ハーバードとスミソニアンの共同研究で、宇宙の性質に関する人類の最大の未解決の問題に問いかけ、最終的には答えることを目的としています。天体物理学センターはマサチューセッツ州ケンブリッジに本部を置き、米国および世界中に研究施設を持っています。