År 2021, NASA:s nästa generations observatorium, James Webb Space Telescope (JWST), kommer att ta till rymden. När den väl är i drift, detta flaggskeppsuppdrag kommer att ta plats där andra rymdteleskop – som Hubble, Kepler och Spitzer – slutade. Detta innebär att förutom att undersöka några av de största kosmiska mysterierna, den kommer också att söka efter potentiellt beboeliga exoplaneter och försöka karakterisera deras atmosfärer.

Detta är en del av det som skiljer JWST från sina föregångare. Mellan dess höga känslighet och infraröda bildegenskaper, det kommer att kunna samla in data om exoplanetatmosfärer som aldrig förr. Dock, som en NASA-stödd studie nyligen visade, planeter som har tät atmosfär kan också ha omfattande molntäcke, vilket skulle kunna komplicera försök att samla in några av de viktigaste uppgifterna av alla.

I åratal, astronomer har använt transitfotometri (AKA transitmetoden) för att upptäcka exoplaneter genom att övervaka avlägsna stjärnor för att se sänkningar i ljusstyrka. Denna metod har också visat sig användbar för att bestämma atmosfärens sammansättning av vissa planeter. När dessa kroppar passerar framför sina stjärnor, ljus passerar genom planetens atmosfär, vars spektra sedan analyseras för att se vilka kemiska grundämnen som finns.

Än så länge, denna metod har varit användbar när man observerar massiva planeter (gasjättar och "super-Jupiters") som kretsar kring sina solar på stora avstånd. Dock, observera mindre, steniga planeter (dvs. "jordliknande" planeter) som kretsar närmare sina solar, som skulle placera dem inom stjärnans beboeliga zon, har varit bortom rymdteleskopens kapacitet.

Av denna anledning, det astronomiska samfundet har sett fram emot nästa generations teleskop som JWST. Genom att undersöka spektra av ljus som passerar genom en stenig planets atmosfär (en metod som kallas transmissionsspektroskopi) kommer forskare att kunna leta efter indikatorerna för syrgas, koldioxid, metan, och andra tecken associerade med liv (AKA "biosignaturer").

Ett annat avgörande element för livet som vi känner det är vatten, så signaturer av vattenånga i en planets atmosfär är ett främsta mål för framtida undersökningar. Men i en ny studie ledd av Thaddeus Komacek, en postdoktor vid institutionen för geofysiska vetenskaper vid University of Chicago, det är möjligt att vilken planet som helst med rikligt med ytvatten också kommer att ha rikligt med moln (partiklar av kondenserande is) i sin atmosfär.

För denna studies skull, Komacek och hans kollegor undersökte om dessa moln skulle störa försöken att upptäcka vattenånga i atmosfären hos marklevande exoplaneter. På grund av antalet steniga exoplaneter som har upptäckts inom de beboeliga zonerna av stjärnor av M-typ (röda dvärg) under de senaste åren, som Proxima b, angränsande röda dvärgar kommer att vara ett stort fokus i framtida undersökningar.

Som Komack förklarade för Universe Today via e-post, tidvattenlåsta planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor är väl lämpade för studier som involverar transmissionsspektroskopi - och av ett antal skäl:

"Transiterande planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor är mer gynnsamma mål än de som kretsar kring solliknande stjärnor eftersom förhållandet mellan planetens storlek och stjärnans storlek är större. Storleken på signalen i transmissionen skalar som kvadraten på förhållandet av planetens storlek till stjärnans storlek, så det finns en betydande ökning av signalen som går till mindre stjärnor än jorden.

"Ett annat skäl till att planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor är mer gynnsamma att observera är att den 'boliga zonen, "eller där vi förväntar oss att det finns flytande vatten på planetens yta, är mycket närmare stjärnan... På grund av dessa närmare banor, beboeliga stenplaneter som kretsar kring röda dvärgstjärnor kommer att passera sin stjärna mycket oftare, vilket gör det möjligt för observatörer att ta många upprepade observationer."

Med detta i åtanke, Komacek och hans team använde två modeller tillsammans för att generera syntetiska transmissionsspektra av tidvattenlåsta planeter runt stjärnor av M-typ. Den första var ExoCAM, utvecklad av Dr. Eric Wolf från Colorado University's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), en gemenskapsjordsystemmodell (CESM) som används för att simulera jordens klimat, som har anpassats för att studera exoplanetatmosfärer.

Med ExoCAM-modellen, de simulerade klimatet av steniga planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor. Andra, de använde Planetary Spectrum Generator utvecklad av NASA:s Goddard Space Flight Center för att simulera transmissionsspektrumet som JWST skulle detektera från deras simulerade planet. Som Komacek förklarade det:"Dessa ExoCAM-simuleringar beräknade de tredimensionella fördelningarna av temperatur, vattenånga blandningsförhållande, och vätske- och isvattenmolnpartiklar. Vi fann att planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor är mycket molnigare än jorden. Detta beror på att hela deras dagsida har ett klimat som liknar jordens tropiker, så att vattenånga lätt lyfts upp till låga tryck, där det kan kondensera och bilda moln som täcker en stor del av planetens dagsida... PSG gav resultat för planetens skenbara storlek i transmission som en funktion av våglängden, tillsammans med osäkerheten. Genom att titta på hur storleken på signalen förändrades med våglängden, vi kunde bestämma storleken på vattenånga egenskaper och jämföra dem med osäkerhetsnivån."

Mellan dessa två modeller, teamet kunde simulera planeter med och utan molntäcke, och vad JWST skulle kunna upptäcka som ett resultat. När det gäller den förra, de fann att vattenånga i exoplanetens atmosfär nästan säkert skulle kunna detekteras. De fann också att detta kunde göras för exoplaneter i jordstorlek på bara 10 transiter eller färre.

"[När] vi inkluderade effekterna av moln, antalet transiter som JWST behövde observera för att upptäcka vattenånga ökade med en faktor på 10 till 100, ", sa Komacek. "Det finns en naturlig gräns för hur många transiter JWST kan observera för en given planet eftersom JWST har en nominell livslängd på fem år, och överföringsobservationen kan bara göras när planeten passerar mellan oss och sin värdstjärna."

De fann också att molntäckets påverkan var särskilt stark med långsammare roterande planeter runt röda dvärgar. I grund och botten, Planeter som har omloppsperioder längre än cirka 12 dagar skulle uppleva mer molnbildning på sina dagar. "Vi fann att för planeter som kretsar kring en stjärna som TRAPPIST-1 (det mest gynnsamma målet känt), JWST skulle inte kunna observera tillräckligt många transiter för att upptäcka vattenånga, sa Komacek.

Dessa resultat liknar vad andra forskare har noterat, han lade till. Förra året, en studie ledd av forskare vid NASA Goddard visade hur molntäcke skulle göra vattenånga oupptäckbar i atmosfären på TRAPPIST-1-planeterna. Tidigare den här månaden, en annan NASA Goddard-stödd studie visade att moln kommer att sänka amplituden av vattenånga till den grad att JWST skulle eliminera dem som bakgrundsljud.

Men innan vi går och tänker att allt är dåliga nyheter, denna studie presenterar några förslag för att övervinna dessa begränsningar. Till exempel, om uppdragstid är en faktor, JWST-uppdraget kan utökas så att forskare får mer tid att samla in data. Redan, NASA hoppas kunna ha rymdteleskopet i drift i 10 år, så en uppdragsförlängning är redan en möjlighet.

På samma gång, en sänkt signal-till-brus-tröskel för detektion skulle kunna göra det möjligt för fler signaler att plockas ut ur spektrat (även om det skulle innebära fler falska positiva, också). Dessutom, Komacek och hans kollegor noterar att dessa resultat endast gäller funktioner som finns under molndäcket på exoplaneter:"Eftersom vattenånga mestadels fångas under vattenmolnsnivån, den starka molntäckningen på planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor gör det otroligt utmanande att upptäcka vattendrag. Viktigt, Det förväntas att JWST fortfarande kommer att kunna begränsa närvaron av viktiga atmosfäriska beståndsdelar som koldioxid och metan i endast ett dussin transiter eller så."

Ännu en gång, dessa resultat stöds av tidigare forskning. Förra året, en studie från University of Washington undersökte spårbarheten och egenskaperna hos TRAPPIST-1-planeterna och fann att moln sannolikt inte kommer att ha en betydande inverkan på detekterbarheten av syre- och ozonegenskaper - två viktiga biosignaturer som är associerade med närvaron av liv .

Så verkligen, JWST kanske bara har svårt att upptäcka vattenånga i exoplanetatmosfärer, åtminstone när det gäller tätt molntäcke. JWST borde inte ha några problem med att sniffa upp andra biosignaturer, moln eller inga moln. Stora saker förväntas komma från Webb, NASA:s mest kraftfulla och sofistikerade rymdteleskop hittills, och allt börjar nästa år.