Wirtualne laboratoria oferują nowe perspektywy w zakresie powstawania egzoplanet i ich atmosfer
Laboratoria wirtualne mają kluczowe znaczenie w symulacjach niezbadanych środowisk fizykochemicznych, zwłaszcza w badaniach dysków protoplanetarnych oraz atmosfer egzoplanet. W ramach projektu CHAMELEON realizowanego przy wsparciu programu działania „Maria Skłodowska-Curie” udało się opracować tego typu platformy, które pozwalają analizować obecne i przyszłe obserwacje dysków planetotwórczych oraz egzoplanet.
Wirtualne laboratoria pomagają wypełnić luki w danych obserwacyjnych
„Wirtualne laboratoria są niezbędne w radzeniu sobie z czasem niespójnymi lub niekompletnymi zestawami danych obserwacyjnych, łącząc różnorodne modele teoretyczne oraz zaawansowane metody obliczeniowe” — zauważa koordynatorka projektu, Ruth-Sophie Taubner. Te narzędzia czerpią wiedzę z licznych dziedzin nauki, w tym astrofizyki, chemii obliczeniowej, fizyki, nauk geologicznych i matematyki, dzięki czemu umożliwiają badaczom symulowanie i analizowanie złożonych procesów fizykochemicznych. Zespół projektu CHAMELEON udoskonalił modele termochemiczne dysków protoplanetarnych, aby lepiej zrozumieć warunki wpływające na powstawanie planet i połączyć te modele z danymi obserwacyjnymi. „Udoskonaliliśmy modele atmosfer egzoplanet, uwzględniając napromieniowanie przez gwiazdę macierzystą, tworzenie się chmur, wyładowania atmosferyczne i procesy powstawania ładunków, aby zmaksymalizować wykorzystanie danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) i z przyszłych misji” — wyjaśnia Taubner. Naukowcy wykorzystali również modele teoretyczne jako wirtualne laboratoria do przewidywania pojawiających się widm, porównując te przewidywania z danymi z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i JWST.
Nowe narzędzia i techniki uczenia maszynowego w badaniach egzoplanet
„Poszerzyliśmy sieć prędkości chemicznych w modelach dysków protoplanetarnych, aby uwzględnić elektryzowanie się pyłów w zależności od rozmiaru oraz powstawanie większych cząsteczek węglowodorów za pomocą zastosowania wyszukiwania bayesowskie wykorzystującego uczenie maszynowe do analizy danych obserwacyjnych” — stwierdza Taubner. „Badamy zarówno skład atmosfery starych (mających ponad 1 miliard lat) egzoplanet, które są napromieniowywane przez swoją gwiazdę macierzystą, a także znacznie młodszych, samoświecących”. Godnym uwagi osiągnięciem była trójwymiarowa symulacja atmosfery ciepłego pozasłonecznego Saturna HATS-6b, która przewidywała rozkład chmur i ich charakter chemiczny. Wirtualne laboratoria umożliwiły kompleksowe modelowanie procesów fizycznych, opracowano też nowe narzędzia do symulowania syntetycznych obserwacji JWST, np. mini-Neptunów. Symulacje chemii kwantowej pozwoliły zbadać powstawanie i stabilność klastrów tlenków metali w atmosferach gorących egzoplanet, co poprawiło nasze zrozumienie tych egzotycznych środowisk.
Świetlana przyszłość badań nad egzoplanetami
Projekt CHAMELEON przyczynił się do rozwoju nauki o egzoplanetach, szkoląc 15 doktorantów i publikując ponad 140 artykułów, co czterokrotnie przewyższa średni wynik poprzednich innowacyjnych sieci szkoleniowych Marie Curie w dziedzinie fizyki. W przypadku 28 spośród wspomnianych publikacji pierwszymi autorami byli studenci, a ponad 40 z nich skupiało się na obserwacjach JWST. Wychodząc poza utarte ścieżki rozumowania, projekt wprowadził nowe podejścia i przyniósł nowe informacje, co przygotowało drogę pod przyszłe poszukiwania badawcze oraz ścieżki kariery dla naukowców, którzy dopiero ją zaczynają. W ramach tego projektu opracowano platformę obliczeniową do badania egzoplanet i ich środowisk formacyjnych na różnych poziomach złożoności, która integruje dane obserwacyjne z najnowocześniejszymi symulacjami.
Połączenie sztuki i astrofizyki
Aby uczcić pomyślne zakończenie projektu CHAMELEON, na Uniwersytecie Kopenhaskim zorganizowano konferencję podsumowującą, w której udział wzięli naukowcy z różnych dziedzin, w tym zajmujący się egzoplanetami, ewolucją dysków, egzotycznymi formami życia oraz przyszłością życia i ludzkości. Wydarzenie zorganizowane przy wsparciu centrum Copenhagen Center for ExoLife Sciences zaznaczyło odkrycia sieci dotyczące chemicznej różnorodności dysków planetotwórczych oraz atmosfer egzoplanet. Ta okazja do spotkania posłużyła również jako platforma umożliwiająca planowanie przyszłych współpracy i projektów wykraczających poza okres finansowania. Równolegle zorganizowano wystawę sztuki pod tytułem „Exploring Exoplanets” (eksploracja egzoplanet), na której zademonstrowane inicjatywę „Arts, Education and Science Outreach” sieci CHAMELEON. Wystawa ta połączyła sztukę i naukę, prezentując twórcze przecięcie astrofizyki i ekspresji artystycznej.
Słowa kluczowe
CHAMELEON, egzoplanety, wirtualne laboratoria, dyski planetotwórcze, atmosfery, STEAM