Ett internationellt team, inklusive astrofysiker från University of Exeter, tar lärdomar och tekniker från jordens klimatvetenskap för att bana väg för att robust modellera atmosfärer av planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor, vilket hjälper till i sökandet efter potentiellt beboeliga exoplaneter.

Avgörande är att teamet tror att denna forskning också kan förbättra vår grundläggande förståelse och förutsägelser om framtida klimat på jorden.

Det nyligen uppskjutna rymdteleskopet James Webb (JWST) och kommande teleskop som European Extremely Large Telescope (E-ELT), Thirty Meter Telescope (TMT) eller Giant Magellan Telescope (GMT) kanske snart kommer att kunna karakterisera atmosfärerna i steniga exoplaneter som kretsar kring närliggande röda dvärgar (stjärnor kallare och mindre än vår egen sol). Men utan robusta modeller för att tolka och vägleda dessa observationer kommer vi inte att kunna låsa upp den fulla potentialen hos dessa observatorier.

En metod är att använda tredimensionella allmänna cirkulationsmodeller (GCM) – liknande de som används för att förutsäga jordens klimat, för att simulera atmosfäriska egenskaper när planeterna kretsar runt sina värdstjärnor. Men det finns inneboende skillnader inom dessa komplexa GCM som leder till kontrasterande klimatförutsägelser - och följaktligen vår tolkning av exoplanetobservationerna.

Under de senaste åren har forskare förfinat GCM i ett försök att reproducera och förstå den nuvarande uppvärmningstrenden som är förknippad med antropogen klimatförändring på jorden. Ett viktigt tillvägagångssätt är att modellera klimat med flera GCM och kontrastera dem via Model Intercomparison Projects, eller MIPs, som har varit grundläggande för vår kunskap om jordens klimat.

Teamet, som leds av tre forskare i tidiga karriärer – Thomas Fauchez (NASA GSFC, American University, USA), Denis Sergeev (University of Exeter, U.K.) och Martin Turbet (LMD, Frankrike) – har använt denna expertis och nya modelluppgraderingar för att genomföra en omfattande jämförelse av flera av världens ledande GCM som tillämpar dem på studier av exoplaneter.

Dr. Sergeev, en postdoktor vid University of Exeter sa, "Multi-modell intercomparisons är en av pelarna i modern klimatvetenskap och en framgångssaga för internationellt samarbete. De är avgörande för vår förståelse av tidigare, nuvarande och framtida klimatprocesser . Genom att ta med dessa jämförelser i exoplanetforskning kan vi i slutändan förbättra vår förmåga att tolka teleskopobservationer."

Det centrala nya projektet, kallat THAI (TRAPPIST-1 Habitable Atmosphere Intercomparison) fokuserar på en bekräftad, jordstorlek, exoplanet märkt TRAPPIST-1e. Det är den fjärde planeten från dess värdstjärna, en röd dvärg TRAPPIST-1 som ligger cirka 40 ljusår från jorden. Av avgörande betydelse, eftersom planetens omloppsbana ligger inom den beboeliga zonen TRAPPIST-1 kan den ha ett tempererat klimat som är lämpligt för flytande vatten att existera på dess yta.

Projekten kombinerar fyra mycket använda modeller - ExoCAM (baserad på modellen från U.S. National Center for Atmospheric Research), LMD-G (utvecklad av Laboratoire de Meterologie Dynamique i Paris), ROCKE-3D (baserad på NASA GISS-modellen) ) och UM (utvecklad vid U.K. Met Office och anpassad för exoplaneter av forskare vid University of Exeter) – för att överväga fyra olika scenarier för atmosfären i TRAPPIST-1e.

Dessa bestod av två scenarier för ytan (helt torr och ett täckt av ett globalt hav som ger fukt åt atmosfären) och två scenarier för atmosfärens sammansättning (kväverik atmosfär med halter av CO₂ , eller en Mars-liknande CO₂ -dominerad atmosfär).

En av de största källorna till skillnader mellan GCM är moln:deras optiska egenskaper, höjd, tjocklek, täckning har visat sig skilja sig markant mellan modellerna på grund av skillnader i molnparameteriseringar. "Att representera småskalig fuktig fysik i GCM är notoriskt svårt. Det är en av de viktigaste vägarna för atmosfärisk forskning för både exoplaneten och jordens klimatvetenskap", sa Dr. Sergeev.

Dr. Fauchez, som leder THAI-projektet, sa:"THAI har utnyttjat värdefull expertis från liknande ansträngningar inom jordvetenskapssamhället som studerar antropogen global uppvärmning. Men det har också kunnat överföra kunskap tillbaka, genom förbättringar i den underliggande modellen ramverk utvecklade som en del av exoplanetapplikationerna."

Resultaten av dessa analyser, som inkluderar att för första gången visa hur användningen av en GCM kan påverka framtida datatolkning och framtida planering av observationskampanjer, presenteras i tre helt öppna artiklar. De fullständiga resultaten publiceras den 15 september 2022 i ett specialnummer av The Planetary Science Journal (PSJ).

Teamet tror dock att THAI inte bara kommer att bana väg för robust modellering av potentiellt beboeliga avlägsna världar, utan har också kopplat våra ansträngningar att hitta liv bortom jorden med studier av vårt eget föränderliga klimat.

Dr. Sergeev tillade, "Vårt arbete med TRAPPIST-1e, med en mycket annorlunda omloppskonfiguration jämfört med jorden, avslöjade flera förbättringar av, till exempel, behandlingen av stjärnuppvärmningen av atmosfären, nu implementerad i UM och tillämpad på jorden."

THAI banar väg för ett större modellinterjämförelseprojekt, Climates Using Interactive Suites of Intercomparisons Nested for Exoplanet Studies (CUISINES) som skulle inkludera en bredare mångfald av exoplanetmål och modeller för att systematiskt jämföra och därför validera dem. + Utforska vidare

Söker himlen efter byggstenarna för livet i universum