Technika wykrywania wody do zawężania listy egzoplanet potencjalnie nadających się do zamieszkania
W jaki sposób pola magnetyczne planet powstają i ewoluują, i na ile skutecznie chronią ich atmosfery przed dehydratacją przez wiatr gwiazdowy? Wykrywanie pól magnetycznych na planetozymalach i egzoplanetach wzbogaci nasze pojmowanie zamieszkiwalności o nowy wymiar. Aby zostać zaliczonym do egzoplanet, obiekt planetarny musi spełniać cztery kryteria: masa lub masa minimalna równa 30 masom Jowisza albo mniejsza; obecność gwiazdy macierzystej; wystarczające dalsze obserwacje i potwierdzenie istnienia, aby wykluczyć fałszywie pozytywny wynik oraz dostępność tego typu informacji wraz z innymi właściwościami orbitalnymi i fizycznymi w recenzowanych publikacjach. Zidentyfikowanie planety podobnej do Ziemi, na której może utrzymać się życie, to zupełnie inna sprawa. Życie w znanej nam postaci wymaga w szczególności wody w stanie ciekłym, a to element, którego obecne technologie nie są w stanie wykryć. Aby przezwyciężyć ten problem, partnerzy finansowanego ze środków UE projektu HOTMOL (Hot Molecules in Exoplanets and Inner Disks) wykorzystują spektropolarymetrię, mając nadzieję na wykrycie gorących cząstek – pary wodnej i innych cząstek lotnych – na egzoplanetach i w wewnętrznej części dysków protoplanetarnych. Pracami nad projektem HOTMOL kieruje prof. dr Svetlana Berdyugina z Uniwersytetu Albert Ludwigs we Fryburgu, Niemcy. Badaczka przedstawia w zarysie wkład, jaki wniesie projekt w czułe metody wykrywania gorących cząstek na egzoplanetach oraz dlaczego tego typu wyniki mają zasadnicze znaczenie dla pogłębiania aktualnej wiedzy o układzie gwiazda + planeta. W jaki sposób obecność gorących cząstek może poinformować nas o obecności wody na konkretnych egzoplanetach? Znajdujemy gorące cząstki na gwiazdach i gorących jowiszach w temperaturze tysięcy stopni i zimne cząstki oraz lód w obłokach międzygwiazdowych i na peryferiach Układu Słonecznego w temperaturze zaledwie kilku kelwinów. Aby powstało życie, w znanej nam postaci, woda w stanie ciekłym na powierzchni planety jest warunkiem wstępnym. Jednak wykrywanie wody w stanie ciekłym na powierzchni egzoplanet, a zwłaszcza na potencjalnie nadających się do zamieszkania planetach wielkości Ziemi, nie jest jeszcze możliwe. Tymczasem wiemy, że jeżeli woda występuje na powierzchni, to musi być także obecna w atmosferze planety w postaci pary, odparowując pod wpływem promieniowania gwiazdowego wraz z innymi powiązanymi cząstkami. Te gorące cząstki mają kluczowe znaczenie dla określenia zamieszkiwalności planet, tak więc opracowanie czułych metod do ich wykrywania na egzoplanetach jest pierwszym krokiem w kierunku wykrywania życia pozaziemskiego. Jakie metody opracowaliście do wykrywania tych gorących cząstek? Główny problem w czasie badania układów egzoplanetarnych polega na oddzieleniu światła planety od przyćmiewającego światła gwiazdowego. Aby się z nim uporać, zespół HOTMOL stosuje inteligentną technikę podwójnego dyferencjału zwaną spektropolarymetrią. Po pierwsze sygnał planety jest odróżniany w liniach widmowych, ponieważ dane cząstki mogą nie być obecne w widmach gwiazdowych albo ich prędkość może być przesunięta stosunku do linii gwiazdowych. Po drugie linie widmowe planet uwidaczniają się w spolaryzowanym świetle w pobliżu niektórych faz orbitalnych. Tak więc linie będą okresowo pojawiać się i znikać w spolaryzowanym świetle w czasie poruszania się planety wokół gwiazdy. Takie podejście podnosi czułość wykrywania o co najmniej jeden rząd wielkości, służąc jednocześnie za test poczytalności na potrzeby wykrywania cząstek tylko za pomocą spektroskopii. Sygnały widmowe i polaryzacyjne łącznie dostarczają unikatowych informacji na temat warunków fizycznych zarówno na egzoplanetach, jak i planetozymalach w pobliżu gwiazd. Niespodziewanym skutkiem ubocznym projektu było wykorzystanie tej samej techniki do wykrywania organizmów fotosyntetycznych na odległych planetach. Zmierzyliśmy spolaryzowane widma roślin i bakterii ziemskich i obliczyliśmy widma planet podobnych do Ziemi z biosygnaturami fotosyntetycznymi. Wykazaliśmy, że nasze techniki są znacznie bardziej czułe niż inne w zakresie tego typu biosygnatur. Możliwe, że tego rodzaju sygnałów można poszukiwać za pomocą dostępnych obecnie dużych teleskopów w kilku pobliskich układach planetarnych, zwłaszcza wokół gwiazd Alpha Centauri A i B, jeżeli odkryte zostaną tam kiedyś planety. Jak wypadają te techniki na tle innych dostępnych obecnie? Prowadzone obecnie obserwacje w celu wykrycia egzoplanet wykorzystują wyłącznie strumień niespolaryzowany. Zespół HOTMOL przewodzi staraniom mającym wspomóc te badania światłem spolaryzowanym. Jak już wyjaśniałam wcześniej, czułość w świetle spolaryzowanym wrasta o jeden rząd wielkości, niemniej jest nadal zwiększana poprzez wprowadzanie nowych technologii optycznych i elektronicznych. Ponadto zmienność strumieni spolaryzowanych jest obserwowana niezależnie od tranzytu planety przez tarczę gwiazdy, dzięki czemu ta technika może znaleźć zastosowanie przy znacznie większej próbce egzoplanet. Widmowa technika korelacji krzyżowej stosowana przez innych badaczy dowiodła swego potencjału w wykrywaniu egzoplanet. Wzmocnienie jej o pomiary polaryzacyjne dostarczy ogromu informacji na temat fizyki ich atmosfer. Jakie warunki wstępne musiałyby być spełnione w celu wykorzystania tych narzędzi do badania egzoplanet? Nasze główne zadanie polega na opracowywaniu nowych technik, a wprowadzanie ich do szerokiego zastosowania jest naszym ostatecznym celem. Dysponowanie w szczególności obiektem do prowadzenia obserwacji, takim jak sieć teleskopów wyposażonych w wysokiej czułości polarymetry jest ważnym warunkiem wstępnym. Wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu w Turku (Finlandia) i Uniwersytetu Hawajskiego (USA) zbudowaliśmy kilka kopii naszych polarymetrów wysokiej czułości, które są wykorzystywane w teleskopach na całym świecie: La Palma i Teneryfa (Wyspy Kanaryjskie), Mauna Kea i Haleakala (Hawaje) oraz pod koniec tego roku również na Tasmanii. Jesteśmy także członkami konsorcjum PLANETS (Polarized Light from Atmospheres of Nearby Extra-Terrestrial Systems) wraz z Uniwersytetem Hawajskim (USA) i Uniwersytetem Tohoku (Japonia). Teleskop, jaki ma powstać w obserwatorium Haleakala będzie jednym z dedykowanych obiektów w naszej sieci. Jednoznaczne wykrycie życia na egzoplanetach wymaga znacznie większego obiektu. Pierwsze kroki zostaną być może poczynione wraz z teleskopami klasy 30 m, takimi jak E-ELT budowany w ESO w Chile, ale planowe badania rozmieszczenia życia w okolicach Słońca wymagać będą obiektu klasy 100 m, takiego jak teleskopy Colossus i Exo-Life Finder (ELF), do których kierujemy przypadki naukowe. Co jeszcze musicie osiągnąć przed zakończeniem prac nad projektem? W ciągu pierwszych czterech lat realizacji projektu opracowaliśmy wiele narzędzi teoretycznych oraz pozyskaliśmy i przeanalizowaliśmy całe mnóstwo danych obserwacyjnych. Ostatni rok prac nad projektem jest poświęcony finalizacji wielu publikacji, które są obecnie w trakcie przygotowywania przez członków zespołu. Pod koniec piątego roku projektu zorganizujemy międzynarodową konferencję i warsztaty na temat gorących cząstek i biosygnatur na egzoplanetach, w czasie których zaprezentujemy nasz dorobek oraz przeprowadzimy seminaria z zakresu stosowania naszych narzędzi i danych. Kiedy i w jaki sposób narzędzia zostaną udostępnione społeczności? Udostępnienie naszych teoretycznych narzędzi szerszej społeczności jest jednym z głównych celów HOTMOL. Opracowaliśmy dedykowaną witrynę, w której nasze narzędzia mogą być wykorzystywane online, nawet za pomocą telefonu komórkowego. Na dzień dzisiejszy umożliwiają obliczanie molekularnych właściwości magnetycznych, molekularnych widm spolaryzowanych, tranzytów i zaćmień egzoplanetarnych, spolaryzowanego światła odbitego z egzoplanet i gwiazdowej polaryzacji rozproszonej. Cały czas dodajemy kolejne narzędzia do badań egzoplanet i będziemy utrzymywać witrynę po zakończeniu projektu. W naszych zasobach są również dane pozyskane za pomocą naszych instrumentów. Korzystanie z narzędzi jest bezpłatne dla każdego po uprzedniej rejestracji online. HOTMOL Dofinansowanie z 7PR-POMYSŁY-ERBN witryna projektu strona projektu w serwisie CORDIS
Kraje
Niemcy