NASA:s rymdteleskop James Webb avslöjar universum med spektakulär, oöverträffad klarhet. Observatoriets ultraskarpa infraröda syn har skurit igenom det kosmiska dammet för att belysa några av de tidigaste strukturerna i universum, tillsammans med tidigare skymd stjärnkammare och snurrande galaxer som ligger hundratals miljoner ljusår bort.

Förutom att se längre in i universum än någonsin tidigare, kommer Webb att fånga den mest omfattande bilden av objekt i vår egen galax – nämligen några av de 5 000 planeter som har upptäckts i Vintergatan. Astronomer utnyttjar teleskopets ljusanalysprecision för att avkoda atmosfärerna som omger några av dessa närliggande världar. Atmosfärernas egenskaper kan ge ledtrådar till hur en planet bildades och om den har tecken på liv.

Men en ny MIT-studie tyder på att de verktyg astronomer vanligtvis använder för att avkoda ljusbaserade signaler kanske inte är tillräckligt bra för att korrekt tolka det nya teleskopets data. Specifikt kan opacitetsmodeller – verktygen som modellerar hur ljus interagerar med materia som en funktion av materiens egenskaper – behöva betydande omjustering för att matcha precisionen i Webbs data, säger forskarna.

Om dessa modeller inte är förfinade? Forskarna förutspår att egenskaper hos planetatmosfärer, såsom deras temperatur, tryck och elementära sammansättning, kan vara försämrade med en storleksordning.

"Det finns en vetenskapligt signifikant skillnad mellan att en förening som vatten är närvarande i 5% kontra 25%, vilket nuvarande modeller inte kan skilja", säger studiens medledare Julien de Wit, biträdande professor vid MIT:s institution för jord-, atmosfär- och planetvetenskap. (EAPS).

"För närvarande är modellen vi använder för att dekryptera spektral information inte i nivå med precisionen och kvaliteten på data vi har från James Webb-teleskopet", tillägger EAPS-student Prajwal Niraula. "Vi måste förbättra vårt spel och tillsammans tackla opacitetsproblemet."

De Wit, Niraula och deras kollegor har publicerat sin studie i Nature Astronomy . Bland medförfattarna finns spektroskopiexperterna Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva och Roman Kochanov från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Niveller upp

Opacitet är ett mått på hur lätt fotoner passerar genom ett material. Fotoner med vissa våglängder kan passera rakt genom ett material, absorberas eller reflekteras tillbaka ut beroende på om och hur de interagerar med vissa molekyler i ett material. Denna interaktion beror också på ett materials temperatur och tryck.

En opacitetsmodell arbetar utifrån olika antaganden om hur ljus interagerar med materia. Astronomer använder opacitetsmodeller för att härleda vissa egenskaper hos ett material, givet det ljusspektrum som materialet avger. I samband med exoplaneter kan en opacitetsmodell avkoda typen och mängden kemikalier i en planets atmosfär, baserat på ljuset från planeten som ett teleskop fångar upp.

De Wit säger att den nuvarande toppmoderna opacitetsmodellen, som han liknar vid ett klassiskt språköversättningsverktyg, har gjort ett anständigt jobb med att avkoda spektraldata tagna av instrument som de på rymdteleskopet Hubble.

"Hittills har den här Rosetta Stone klarat sig", säger de Wit. "Men nu när vi går till nästa nivå med Webbs precision kommer vår översättningsprocess att hindra oss från att fånga viktiga subtiliteter, som de som gör skillnaden mellan att en planet är beboelig eller inte."

Lätt, störd

Han och hans kollegor påpekar detta i sin studie, där de testade den mest använda opacitetsmodellen. Teamet tittade för att se vilka atmosfäriska egenskaper modellen skulle få om den anpassades för att anta vissa begränsningar i vår förståelse av hur ljus och materia interagerar. Forskarna skapade åtta sådana "störda" modeller. De matade sedan varje modell, inklusive den verkliga versionen, "syntetiska spektra" – ljusmönster som simulerades av gruppen och liknade precisionen som James Webb-teleskopet skulle se.

De fann att, baserat på samma ljusspektra, producerade varje störd modell omfattande förutsägelser för egenskaperna hos en planets atmosfär. Baserat på sin analys drar teamet slutsatsen att om befintliga opacitetsmodeller tillämpas på ljusspektra tagna av Webb-teleskopet, kommer de att träffa en "noggrannhetsvägg". Det vill säga, de kommer inte att vara tillräckligt känsliga för att avgöra om en planet har en atmosfärstemperatur på 300 Kelvin eller 600 Kelvin, eller om en viss gas tar upp 5 % eller 25 % av ett atmosfäriskt lager.

"Denna skillnaden är viktig för att vi ska kunna begränsa mekanismer för planetbildning och på ett tillförlitligt sätt identifiera biosignaturer," säger Niraula.

Teamet fann också att varje modell också producerade en "bra passform" med data, vilket innebär att även om en störd modell producerade en kemisk sammansättning som forskarna visste var felaktig, genererade den också ett ljusspektrum från den kemiska sammansättningen som var nära tillräckligt för eller "passar" med det ursprungliga spektrumet.

"Vi fann att det finns tillräckligt med parametrar för att justera, även med en fel modell, för att fortfarande få en bra passform, vilket innebär att du inte skulle veta att din modell är fel och att det den säger är fel", förklarar de Wit.

Han och hans kollegor tar upp några idéer om hur man kan förbättra befintliga opacitetsmodeller, inklusive behovet av fler laboratoriemätningar och teoretiska beräkningar för att förfina modellernas antaganden om hur ljus och olika molekyler interagerar, samt samarbeten över discipliner, och i synnerhet, mellan astronomi och spektroskopi.

"Det finns så mycket som skulle kunna göras om vi visste perfekt hur ljus och materia interagerar", säger Niraula. "Vi vet det tillräckligt bra kring jordens förhållanden, men så fort vi flyttar till olika typer av atmosfärer förändras saker och ting, och det är mycket data, med ökande kvalitet, som vi riskerar att misstolka." + Utforska vidare

Söker himlen efter byggstenarna för livet i universum

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.