الفلك

ما هو النطاق المتوقع لـ JWST لتتمكن من اكتشاف الغلاف الجوي للكواكب الخارجية؟

ما هو النطاق المتوقع لـ JWST لتتمكن من اكتشاف الغلاف الجوي للكواكب الخارجية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

اكتشفت مهمة K2 بالأمس أحداث عبور لأجسام تمر أمام عدد من الأقزام M والتي يمكن أن تتحول إلى كواكب صخرية. إذا كانت بعض هذه الكواكب تستضيف أغلفة جوية ، فهل يمكن لـ JWST اكتشاف خطوط امتصاص الأشعة تحت الحمراء من الجزيئات في هذه الأجواء؟

ما هي المسافة المحددة المتوقعة لهذه النجوم للسماح بمثل هذه القياسات بواسطة JWST؟


وفقًا لهذه المقالة ، من المفترض أن تتم دراسة نظام TRAPPIST-1 بواسطة JWST مع إمكانية اكتشاف تكوين الغلاف الجوي في نطاق الأشعة تحت الحمراء. لذلك يجب أن تعمل 40 ليتر (حوالي 12 قطعة) في النهاية. في مكان آخر قرأت ، هناك افتراض لدراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض على مسافة 10-20 جهاز كمبيوتر. ولكن قد يكون من الأفضل رؤيته من زاوية مختلفة: الحد الحقيقي يرجع إلى طاقة / شدة الضوء المنتجة ، وليس المسافة نفسها. على سبيل المثال ، راجع مقالة عن التحليل الطيفي لعبور الكواكب خارج المجموعة الشمسية.


يقترح علماء الفلك طريقة جديدة لاكتشاف الغلاف الجوي في العوالم الصخرية

الكواكب الصخرية التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء هي أهداف جذابة لعلماء الفلك لأنها شائعة وسهلة الدراسة من أنواع الكواكب الأخرى. أحد الأسئلة التي طال أمدها هو ما إذا كانت هذه الكواكب يمكن أن تستضيف أغلفة جوية ، لأنها تعاني من بيئة قاسية من التوهجات النجمية والرياح الجسيمية.

يحسب فريق من علماء الفلك أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم التابع لوكالة ناسا يمكن أن يكتشف علامات على الغلاف الجوي في غضون ساعات قليلة من وقت المراقبة. نظرًا لأن وجود الغلاف الجوي من شأنه أن يخفض درجة الحرارة المرصودة للجانب النهاري للكوكب ، بالنسبة إلى الصخور العارية ، فإن العالم الذي يحتوي على غلاف جوي سيكون له توقيع حراري مميز.

على الرغم من أن هذه التقنية تعمل بشكل أفضل مع الكواكب شديدة الحرارة بحيث لا يمكن أن تكون في منطقة صالحة للسكن ، فقد يكون لها آثار مهمة على عوالم المناطق الصالحة للحياة. إذا وجد علماء الفلك أن الكواكب الصخرية الساخنة يمكنها الحفاظ على الغلاف الجوي ، فيجب أن تكون الكواكب الأكثر برودة قادرة على ذلك أيضًا.

رسم توضيحي لكوكب خارجي غائم


كيف سيرى تلسكوب جيمس ويب الفضائي الأكسجين في الأجواء الغريبة

بينما يقوم علماء الفلك بفحص الغلاف الجوي للكواكب التي تدور حول نجوم أخرى ، يمكن أن توفر طريقة جديدة للكشف عن الأكسجين ، تم تطويرها في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد ، دليلاً على العوالم التي قد تؤوي الحياة.

يعرف علماء الفلك حاليًا أكثر من 4000 من الكواكب الخارجية التي تدور حول نجوم غير شمسنا. تم العثور على العديد من هذه في المنطقة الصالحة للسكن - أو Goldilocks - حول النجوم الأم ، حيث درجات الحرارة ليست دافئة جدًا ولا شديدة البرودة ، بحيث تتجمع المياه على سطحها ، مما قد يؤدي إلى تكوين الأنهار والبحيرات والمحيطات. ومع ذلك ، لم يعثر أحد حتى الآن على عالم ترسخت فيه الحياة.

هنا على الأرض ، ملأ وجود أشكال الحياة غلافنا الجوي بتركيزات هائلة من الأكسجين - حوالي 20 في المائة - أكثر بكثير مما يمكن أن يمتلكه كوكبنا ، لو كان خاليًا من الحياة. ينتج هذا الأكسجين عن عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها الطحالب والنباتات والبكتيريا الزرقاء.

لهذا السبب ، يأمل بعض علماء الفلك أن تكون المستويات غير الطبيعية من الأكسجين بمثابة علامة منبهة للحياة - حتى الحياة البدائية - في عوالم أخرى. باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي المرتقب ، يعتقد الباحثون في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد أنهم طوروا تقنية جديدة قادرة على رؤية علامات تصادم جزيئات الأكسجين مع بعضها البعض في أجواء العوالم البعيدة.

"قبل عملنا ، كان يُعتقد أن الأكسجين بمستويات مماثلة لتلك الموجودة على الأرض لا يمكن اكتشافه باستخدام Webb. قال توماس فوشيز من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، إن إشارة الأكسجين هذه معروفة منذ أوائل الثمانينيات من دراسات الغلاف الجوي للأرض ، ولكن لم يتم دراستها مطلقًا من أجل أبحاث الكواكب الخارجية.

مطلوب: حيا او ميتا

عندما تتصادم جزيئات الأكسجين ، فإنها تمنع نسبة مئوية من ضوء الأشعة تحت الحمراء التي يتم تسجيلها عادة من أن تُرى بواسطة التلسكوبات. فحص الأنماط المسجلة في البيانات يمكن أن يحدد التركيب الكيميائي للغلاف الجوي.

تعاون الباحثون في وكالة ناسا وجامعة كاليفورنيا في ريفرسايد معًا ، وحسابوا كمية ضوء الأشعة تحت الحمراء التي يمكن أن تحجبها الاصطدامات.

يتمثل أحد التحديات (والفرصة) في هذه الدراسة في أن الحياة ليست المصدر الوحيد للأكسجين في الغلاف الجوي. تنتج العديد من التفاعلات الكيميائية الأكسجين أيضًا كمنتج ثانوي. في ظل بعض الظروف ، يمكن أن يتراكم هذا الغاز ، مما يجعل الحياة تبدو وكأنها موجودة ، حتى عندما يكون العالم قاحلًا من الحياة.

عملية الكشف الجديدة قادرة على إيجاد الأكسجين في أجواء الكواكب الخارجية ، بغض النظر عما إذا كانت الحياة موجودة في العالم ، أو إذا كان الغاز ناتجًا عن عمليات كيميائية أو جيولوجية.

عوالم المياه التي تقترب جدًا من الشمس ، أو الحرارة المتراكمة من تأثير الاحتباس الحراري الجامح (مثل ما حدث على كوكب الزهرة) يمكن أن تفقد محيطاتها في الفضاء. عندما يحدث هذا ، فإن الإشعاع يقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين. الهيدروجين ، أخف العناصر على الإطلاق ، يهرب بسرعة إلى الفضاء ، تاركًا وراءه الأكسجين. يمكن أن يتراكم هذا الغاز ، مما يخلق الوهم بأن أشكال الحياة قد تسكن الكوكب.

"الأكسجين هو أحد أكثر الجزيئات إثارة للاكتشاف بسبب ارتباطه بالحياة ، لكننا لا نعرف ما إذا كانت الحياة هي السبب الوحيد للأكسجين في الغلاف الجوي. ستسمح لنا هذه التقنية بإيجاد الأكسجين في الكواكب الحية والميتة ". صرح إدوارد شويترمان ، عالم الأحياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد.

ستكون هناك حاجة إلى تقنيات أخرى لتنظيف البيانات ، والبحث عن عوالم يكون الغاز فيها نتيجة الحياة ، أو لأسباب كيميائية وجيولوجية.

سيكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، المقرر إطلاقه في مارس 2021 ، أول مركبة فضائية قادرة على دراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية بتفصيل كبير. من المتوقع أن تكتشف المركبة الفضائية التي صممتها ناسا آلاف العوالم الغريبة الجديدة خلال عمرها التشغيلي.

تم عرض لمحة عن هذه الطريقة الجديدة للعثور على الأكسجين في أجواء العوالم البعيدة في المجلة علم الفلك الطبيعي.

د معرف يعجبك هذا المقال؟ الاشتراك في النشرة الكونية الرفيق!


في الكون

في جميع برامج المراقبة العامة ، ذهبت أكبر جائزة إلى جيهان كارتالتيبي من معهد روتشستر للتكنولوجيا وكيتلين كيسي من جامعة تكساس في أوستن ، مع تخصيص 208.6 ساعة لاقتراح COSMOS-Webb. يعتزم Kartaltepe و Casey وزملاؤه دراسة الآلاف من أقدم المجرات في الكون ، والتي تشكلت جميعها في غضون مليار سنة من الانفجار العظيم. هذه المجرات باهتة لدرجة أنها كانت خارج حدود التحقيق بواسطة تلسكوبات البشرية و rsquos ، باستثناء حفنة من ملاحظات هابل ، حتى الآن. & ldquoIt & rsquos لا يضاهى حقًا ، & rdquo Kartaltepe يقول. & ldquo هابل قد تكسر ، لكنه محدود حقًا بسبب حجمه وحساسيته. ويب سوف ينظف ويكشف أشياء أكثر خفوتًا. & rdquo

يمكن أن يساعدنا هذا في فهم جزء رئيسي من تاريخ الكون و rsquos المعروف باسم حقبة إعادة التأين ، وهي فترة من 400000 إلى مليار سنة بعد الانفجار العظيم حيث ظهرت النجوم والمجرات الأولى. & ldquo نعتقد أن إعادة التأين لم تحدث في كل مكان في نفس الوقت ، & rdquo Kartaltepe يقول. & ldquo حدث ذلك في جيوب أو فقاعات. ترتبط هذه الفقاعات بالبنية الأولية واسعة النطاق للكون. نأمل أن نرسم هذا الهيكل. & rdquo

في مكان آخر ، تلقت ناتاشا باتالها من مركز أبحاث NASA & rsquos Ames وجونا تيسكي من معهد كارنيجي للعلوم ثالث أكبر تخصيص للوقت وأكبر برنامج للكواكب الخارجية لاقتراحهما دراسة الأغلفة الجوية لعشرات الكواكب الخارجية بطريقة لم تكن ممكنة من قبل. أكثر من 141.7 ساعة من الملاحظات ، سيستخدم المشروع مرآة JWST & rsquos العملاقة لمشاهدة هذه العوالم تعبر نجومها المضيفة ، مما يحجب ضوء النجوم أثناء مرورها من الأمام ، مما يسمح للباحثين بالعمل على التكوين الأساسي والهيكل لأي أجواء موجودة.

يُعتقد أن العوالم Batalha و Teske وزملاؤهم ، التي يتراوح حجمها بين واحد وثلاثة أضعاف حجم الأرض ، تثير فضول الكواكب الفائقة ونبتون الفرعية ، ويمكن لفئات من الكواكب JWST أن تغير فهمنا. & ldquo من أجل الوصول إلى النقطة التي نبحث فيها عن بصمات حيوية في كواكب حقيقية يمكن أن تشبه الأرض ، نحتاج حقًا إلى فهم التنوع الكامل للكواكب التي تم اكتشافها حتى الآن ، كما يقول باتالها. & ldquo يشمل هذا التنوع الكامل هذه الكواكب الأرضية الفائقة الغريبة [و] نبتون الفرعية التي تم تمييزها كواحدة من أكثر أنواع الكواكب شيوعًا في المجرة. نحن حقا ليس لدينا فكرة عما هم عليه. من المهم للغاية بالنسبة لـ JWST مسح هذه الكواكب. & rdquo

هدف آخر شائع للدراسة هو TRAPPIST-1 & mdasha الذي يعبر نظام الكواكب على بعد 40 سنة ضوئية من الأرض والذي يعتقد أنه يضم سبعة عوالم بحجم الأرض تدور حول نجم قزم أحمر واحد. يعتبر الباحثون أن بعض العوالم يمكن أن تكون صالحة للسكن ، لذا لفهم النظام أكثر ، سيركز عليه اثنان من برامج JWST و rsquos GTO وثلاثة من برامج التلسكوب و rsquos GO. لورا كريدبيرج ، مديرة معهد ماكس بلانك لعلم الفلك في هايدلبرغ ، ألمانيا ، تقود أحد برامج GO. سيستخدم هذا المشروع JWST لتقييم درجة حرارة النظام و rsquos ثاني أعماق العالم ، TRAPPIST-1c ، والبحث عن الغلاف الجوي على هذا الكوكب عبر ما يقرب من 18 ساعة من الملاحظات.

على الرغم من أنه يُعتقد أن TRAPPIST-1c نفسه حار جدًا لدعم الحياة ، فإن وجود الغلاف الجوي قد يشير إلى أن العوالم الأكثر برودة وربما الصالحة للسكن في النظام يمكن أن تستضيف أجواء أيضًا. وفي الوقت الحالي ، يمكن لـ JWST فقط تقديم هذه البيانات. & ldquo نحتاج إلى مراقبة الأشعة تحت الحمراء بعيدًا ، كما يقول كريدبيرج. & ldquoEarth حار جدًا. يجب أن يكون لديك تلسكوب في الفضاء بارد وذو تغطية طول موجي [كافية]. JWST هو التلسكوب الوحيد الذي تم بناؤه على الإطلاق يمكنه فعل ذلك. & rdquo


هنا & # 8217s فكرة ذكية ، تبحث عن ظلال الأشجار على الكواكب الخارجية لاكتشاف الحياة متعددة الخلايا

هذا هو نوع العنوان الذي يمكن أن يتركنا في حيرة من أمرنا. كيف يمكنك رؤية ظلال الأشجار على عوالم أخرى ، عندما تكون تلك الكواكب على بعد عشرات أو مئات السنين الضوئية - أو حتى أبعد -. كما اتضح ، قد تكون هناك طريقة للقيام بذلك.

يعتقد فريق من الباحثين أنه يمكن استخدام الفكرة للإجابة على أحد الأسئلة طويلة الأمد للبشرية: هل نحن وحدنا؟

في مرحلة ما من حياتهم ، يواجه كل شخص يفكر تقريبًا هذا السؤال: & # 8220 هل نحن وحدنا في الكون؟ & # 8221 لا توجد إجابة ، حتى الآن ، لكننا نستمر في البحث. بالنسبة لكثير من الناس ، فإن العثور على الحياة يعني أكثر من العثور على كائن متطرف يكافح ، وهو كائن وحيد الخلية في حفرة قذرة وساخنة في سطح كوكب ما في مكان ما. ستكون الكائنات وحيدة الخلية مصدر إلهام للعلماء ولأشخاص ذوي عقلية علمية. لكن من الصعب على كثير من الناس الارتباط بطبقة من الحثالة البيولوجية على جدار الكهف.

إنها الحياة المعقدة التي نريدها. الحياة المعقدة متعددة الخلايا التي تخبرنا أنه نعم ، يمكن للحياة أن تتطور وتنمو لتصبح أكثر تعقيدًا - بل وتصبح ذكية - في مكان آخر غير الأرض. وبينما نعرف الآن الآلاف من الكواكب الخارجية ، مع اكتشاف المزيد طوال الوقت ، فإن معظمها & # 8217t مناسب للحياة.

قد تكون بعض هذه الكواكب كذلك ، ونحن نقترب من اليوم الذي يمكننا فيه فحص غلافها الجوي بحثًا عن البصمات الحيوية. (نحن ننظر إليك يا جيمس ويب تلسكوب الفضاء). ولكن في مستقبلنا الذي يقترب بسرعة ، سيحتاج علماء الأحياء الفلكية إلى المزيد من الأدوات التي يمكنهم تطبيقها على المهمة.

تركز مجموعة واحدة من الباحثين على المستقبل وعلى الأشجار. وقريبًا ، سنتمكن من تصوير بعض أقرب جيراننا من الكواكب الخارجية بشكل مباشر وموثوق ، والبحث عن علامات الحياة. ما الذي يجب أن نبحث عنه؟ ظلال الأشجار ، حسب دراسة جديدة.

& # 8220 تحتوي الأرض على أكثر من ثلاثة تريليونات شجرة ، وكل منها يلقي بظلاله بشكل مختلف عن الجماد. & # 8221

كريستوفر دوتي ، المؤلف الرئيسي ، جامعة شمال أريزونا

الدراسة الجديدة بعنوان & # 8220 تمييز الحياة متعددة الخلايا على الكواكب الخارجية عن طريق اختبار الأرض على أنها كوكب خارجي. & # 8221 المؤلف الرئيسي هو كريستوفر دوتي ، الأستاذ المساعد في كلية المعلوماتية والحوسبة والأنظمة الإلكترونية ، جامعة شمال أريزونا. تم نشر الورقة في المجلة الدولية لعلم الأحياء الفلكي.

تبحث هذه الدراسة تحديدًا في الحياة المعقدة متعددة الخلايا ، ولكن ليس في الحياة التي تستخدم التكنولوجيا. أراد المؤلفون معرفة ما إذا كانت هناك طريقة لاكتشاف ذلك خارج نظامنا الشمسي. أكبر أشكال الحياة متعددة الخلايا وأكثرها انتشارًا على الأرض هي الأشجار. والأشجار تلقي بظلالها. هل كانت هناك طريقة لاكتشاف ظلال الأشجار على الكواكب الأخرى؟

غابة على جبل غاريبالدي ، حديقة مقاطعة غاريبالدي ، كولومبيا البريطانية ، كندا. حقوق الصورة: بواسطة TheSimkin (نقاش · مساهمات) & # 8211 عمل خاص بواسطة القائم بالتحميل الأصلي تم نقله من en.wikipedia إلى Commons بواسطة Siebrand. ، المجال العام ، https://commons.wikimedia.org/w/index.php؟curid= 3957472

& # 8220Earth بها أكثر من ثلاثة تريليونات شجرة ، وكل منها يلقي بظلالها بشكل مختلف عن الأشياء الجامدة ، & # 8221 قال المؤلف الرئيسي دوتي في بيان صحفي. & # 8220 إذا خرجت في الظهيرة ، فستكون جميع الظلال تقريبًا من الكائنات البشرية أو النباتات وسيكون هناك عدد قليل جدًا من الظلال في هذا الوقت من اليوم إذا لم تكن هناك حياة متعددة الخلايا. & # 8221

إذن كيف يمكننا اكتشاف تريليون ظل من تريليون شجرة؟ يندرج الجهد المبذول للقيام بذلك تحت مظلة ما يسمى & # 8217s بوظيفة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه (BRDF.) بشكل أساسي ، BRDF هو التغيير في الانعكاس المرصود مع تغيير زاوية الرؤية أو اتجاه الإضاءة ، وجزء من ذلك هو الظلال.

كتب المؤلفون أن هناك فرقًا جوهريًا بين الحياة المعقدة متعددة الخلايا والحياة البسيطة. تلقي الحياة متعددة الخلايا المنتصبة والوفرة مثل الأشجار بظلالها على زوايا الشمس العالية. يجادل المؤلفان بأن هذا تمييز حاسم ، ويمكن استخدامه لاكتشاف الحياة من مسافة بعيدة. يمكن استخدام التلسكوبات القوية المستقبلية للبحث عن تلك الظلال.

لكن هناك قيود.

يوضح هذا الشكل من الدراسة أ: حقل الحفرة المستخدم لتدريب رواد فضاء أبولو كما رأينا في عام 1967. ب: مثال على جسر جوي بدون طيار يقيس NDVI في الساعة 5 صباحًا في 2018 مع صورة Google Earth الحالية كصورة خلفية. C: لقطات مقرّبة لكل من الشجرة والحفرة في NIR في أوقات مختلفة من اليوم. النتيجة الرئيسية هي أنه في حين أن الحفرة تنتج ظلًا في الساعة 5 صباحًا فقط ، فإن الشجرة تنتج ظلًا طوال اليوم. حقوق الصورة: دوتي وآخرون ، 2020.

& # 8220 الجزء الصعب هو أن أي تلسكوب فضاء مستقبلي من المحتمل أن يكون به بكسل واحد فقط لتحديد ما إذا كانت الحياة موجودة على هذا الكوكب الخارجي ، & # 8221 قال المؤلف المشارك أندرو أبراهام. & # 8220 إذن ، يصبح السؤال: هل يمكننا اكتشاف هذه الظلال التي تشير إلى الحياة متعددة الخلايا ببكسل واحد؟ & # 8221

بكسل واحد ليس بالكثير للعمل معه. ويمكن للبنى الطبيعية الأخرى مثل الحفر أن تلقي بظلالها أيضًا. أصبح السؤال للباحثين & # 8216 كيف يمكننا اختبار هذا؟ & # 8217

& # 8220 لقد تم اقتراح أن الفوهات قد تلقي بظلال مشابهة للأشجار ، وفكرتنا لن تنجح ، "قال ديفيد تريلينج ، الأستاذ المشارك في علم الفلك. & # 8220 لذا ، قررنا أن ننظر إلى نسخة طبق الأصل من موقع هبوط القمر في شمال أريزونا حيث تدرب رواد فضاء أبولو على مهمتهم إلى القمر. & # 8221

صورة جوية لحقل Cinder Lake Crater Field بعد وقت قصير من اكتماله في عام 1967. حقوق الصورة: NASA / USGS

يعد حقل Cinder Lake Crater Field نسخة طبق الأصل من موقع هبوط على سطح القمر بالقرب من Flagstaff Arizona. يعتبر حصىها البركاني نظيرًا جيدًا لصخور القمر. استخدمت ناسا أطنانًا من الديناميت لإنشاء حفر في الميدان لرواد الفضاء للتدرب عليها. على مدى أربعة أيام من الانفجارات الخاضعة للرقابة ، قاموا بإعادة إنشاء جزء من سطح القمر & # 8217s.

أحد الانفجارات الخاضعة للرقابة المستخدمة لإنشاء نسخة طبق الأصل من موقع هبوط القمر في أريزونا. حقوق الصورة: NASA / USGS

لاختبار ما إذا كانت ظلال الحفرة متشابهة جدًا مع ظلال الأشجار ، استخدم الفريق طائرات بدون طيار. لقد طاروا فوق حقل فوهة البركان خلال أوقات مختلفة من اليوم لتصوير الظلال. وجد الفريق أن ظلال الحفرة هي في الواقع مختلفة بدرجة كافية عن ظلال الأشجار.

لكن هذا كان مجرد اختبار على نطاق صغير. كيف يمكن أن يحدث كل هذا على المقاييس الكوكبية؟

بعد ذلك ، تحول فريق الباحثين إلى القمر الصناعي POLDER (استقطاب وانعكاس الأرض). كانوا قادرين على مراقبة الظلال على سطح الأرض & # 8217s في أوقات مختلفة من اليوم ، مع انخفاض الدقة بدرجة كافية بحيث كانت الأرض مجرد بكسل واحد. كان ذلك لمحاكاة ما قد يراه المراقبون البعيدون.

يوضح هذا الشكل من الدراسة التصميم المفاهيمي لفريق & # 8217s لمراقب بعيد يراقب الأرض والتغيير في التشتت الخلفي لأنه يدور حول الشمس. ؟ هي زاوية السمت؟أنا هي زاوية ذروة الطاقة الشمسية؟الخامس هي زاوية العرض و؟ هي زاوية المرحلة. حقوق الصورة: دوتي وآخرون ، 2020.

مع وجود هذه البيانات في متناول اليد ، قارنوها ببيانات مماثلة من كوكب الزهرة والمريخ والقمر وحتى أورانوس. لقد أرادوا معرفة ما إذا كانت الحياة متعددة الخلايا على الأرض والظلال التي تلقيها تبدو مختلفة عن الأنواع الأخرى من العوالم التي لا حياة لها.

كانت النتائج مختلطة ، لكنها قوية بما يكفي لتبرير مزيد من التفكير.

يُظهر هذا الرقم من الدراسة الرسوم البيانية في NIR لحفرة في 5:30 صباحًا و 9 صباحًا (أعلى) ، وشجرة في 9 صباحًا و 11 صباحًا (وسط). الجزء السفلي هو NDVI (مؤشر الغطاء النباتي الطبيعي للاختلاف) للأشجار (الخضراء) والحفر (السوداء) والأرض العارية (الزرقاء) في الساعة 11 صباحًا. حقوق الصورة: دوتي وآخرون ، 2020.

افترض الفريق أنه عند مقارنته بالمريخ والزهرة والقمر وأورانوس ، فإن الانعكاس الاتجاهي للأرض سيكون في مكان ما بين الأجسام الصخرية بدون أي عوامل جوية (المريخ والقمر) والأجسام الغائمة مثل كوكب الزهرة وأورانوس. استخدموا في دراساتهم النماذج والنتائج التجريبية. جعلت نتائج النمذجة الأرض أقرب إلى المريخ ، بينما أظهرت النتائج التجريبية أن الأرض أكثر انسجاما مع كوكب الزهرة.

& # 8220 إذا كان كل كوكب خارج المجموعة الشمسية عبارة عن بكسل واحد فقط ، فقد نتمكن من استخدام هذه التقنية لاكتشاف الحياة متعددة الخلايا في العقود القليلة القادمة. & # 8221

كريستوفر دوتي ، المؤلف الرئيسي ، جامعة شمال أريزونا

بعد ذلك ، نظر الفريق إلى مناطق واسعة مثل الأمازون ، حيث تكثر الأشجار. هناك يمكنهم التمييز بين الحياة متعددة الخلايا. ولكن عندما & # 8220 زووموا & # 8221 على الكوكب ككل ، كان الأمر أكثر صعوبة.

بالنسبة للمؤلف الرئيسي دوتي ، فإن النتائج تبشر بالمستقبل. إلى أي مدى في المستقبل لم يتحدد بعد. لكن المستقبل لديه طريقة للوصول عندما لا نتوقع ذلك. كيف ستلائم هذه التقنية بحثنا عن الحياة؟

& # 8220 إذا كان كل كوكب خارج المجموعة الشمسية عبارة عن بكسل واحد فقط ، فقد نتمكن من استخدام هذه التقنية لاكتشاف الحياة متعددة الخلايا في العقود القليلة القادمة ، & # 8221 قال. & # 8220 إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من وحدات البكسل ، فقد نضطر إلى الانتظار لفترة أطول حتى يتم إجراء التحسينات التكنولوجية للإجابة عما إذا كانت الحياة متعددة الخلايا على الكواكب الخارجية موجودة. & # 8221

هذا النهج لإيجاد الحياة يمكن أن يتوافق بشكل جيد مع العمل الذي يقوم به تلسكوب جيمس ويب الفضائي. سيكون JWST قادرًا على فحص أجواء الكواكب الخارجية بحثًا عن البصمات الحيوية. ولكن لا يمكن أن تكشف أي شيء عن المصدر: الخلية الواحدة أو الحياة متعددة الخلايا.

في مراسلة بالبريد الإلكتروني مع المؤلف الرئيسي كريستوفر دوتي ، أخبرنا & # 8220 أن بعض الغازات النزرة المقدرة بواسطة JWST قد تكون مؤشراً على الحياة على هذا الكوكب. ومع ذلك ، سيكون من الصعب التمييز بين ما إذا كانت الحياة على هذا الكوكب قد تقدمت إلى & # 8220multicellular & # 8221 المرحلة كما كان على كوكبنا.

قبل 500 مليون سنة فقط على أساس الغازات النزرة في الغلاف الجوي. من المحتمل أن تسمح لنا التقنية التي طورناها بتمييز ما إذا كانت الحياة متعددة الخلايا قد تطورت على هذا الكوكب الخارجي. & # 8221

& # 8220 & # 8230 لسنا على دراية بالتقنيات الأخرى لتمييز كوكب خارج المجموعة الشمسية بحياة متعددة الخلايا & # 8230 & # 8221

من & # 8220 التمييز بين الحياة متعددة الخلايا على الكواكب الخارجية عن طريق اختبار الأرض على أنها كوكب خارجي & # 8221

في ختام البحث ، أقر المؤلفون ببعض أوجه القصور في عملهم. هذا النوع من العمل في مراحله الأولية ، ولا بد أن تكون هناك طرق لتحسينه.

& # 8220 بشكل عام ، من الناحية النظرية ، يمكن لـ BRDF التمييز بين الخلايا متعددة الخلايا
والحياة الخلوية الفردية على الكواكب الخارجية ، & # 8221 كتب المؤلفون ، & # 8220 لكننا أدركنا المشكلات المتعلقة بكل من نماذجنا وملاحظاتنا التجريبية
يجب تحسينها قبل استخدام هذه التقنية بثقة. & # 8221

في رسالة بريد إلكتروني ، أوضح دوتي أن & # 8220 النموذج الذي استخدمناه كان جيدًا بشكل خاص للنباتات والأسطح الأرضية ، ولكنه ليس جيدًا للسحب والمحيطات. & # 8221 لتحسين الطريقة ، يحتاج الفريق إلى نموذج أفضل للكواكب الخارجية.

& # 8220 يمكننا نمذجة تلك الكواكب بافتراض أنه ليس لديها حياة ، فقط حياة ميكروبية ، وكوكب مليء بالنباتات المنتصبة. ثم نراقب بعناية هذا الكوكب الخارجي لأنه يدور حول نجمه ونصنفه وفقًا لأي سيناريو يناسب النتائج النموذجية & # 8211 لا حياة أو حياة ميكروبية أو حياة متعددة الخلايا. & # 8221

في نهاية ورقتهم ، يسأل المؤلفون السؤال الأكثر صلة بالموضوع: & # 8220 ، هل يجب بالتالي التخلي عن هذا النوع من البحث؟ من الناحية النظرية ، لا يزال من الممكن أن تعمل ، ولأننا لسنا على دراية بالتقنيات الأخرى لتمييز كوكب خارج المجموعة الشمسية مع الحياة متعددة الخلايا ، فإننا نعتقد أن المزيد من البحث يجب أن يستمر. & # 8221



رصيد الصورة: معهد علوم تلسكوب الفضاء

مفهوم الفنان لمهمة TESS القادمة التي تبحث عن كواكب حول نجوم أخرى.
رصيد الصورة: فريق MIT / TESS


صورة لنموذج Starshade تم اختباره بواسطة JPL
رصيد الصورة: NASA / JPL

إحدى التقنيات المبتكرة التي يمكن استخدامها في المهمات المستقبلية هي الدوران حول جهاز كبير يسمى ستار ستار. سيتم نشر هذا في موقع محدد على بعد آلاف الأميال من مدار التلسكوب الفضائي وسيمنع الضوء من النجم المستهدف بدقة ، مما يسمح للتلسكوب الفضائي بتصوير الكواكب الأصغر حجمًا والأقرب إلى شموسها من الممكن حتى باستخدام جهاز تصوير تاجي. . قد يسمح لنا زوجان من ظلال النجوم مع تلسكوب قوي بدرجة كافية بتصوير عوالم أرضية مباشرة في المنطقة الصالحة للسكن من نجومهم ، وربما حتى تحليل الغلاف الجوي الخاص بهم للعثور على علامات الحياة.

الأجهزة ليست الأداة الوحيدة التي تتطور مع تقدم السنوات: تستمر تقنياتنا الرياضية المستخدمة لمسح البيانات وتحليلها في التقدم أيضًا. يمكن أن تؤدي البيانات التي تم جمعها بالفعل إلى اكتشافات جديدة! على سبيل المثال ، مجموعات البيانات الخاصة بمهمة كبلر مفتوحة لأي شخص لتحليلها. يمكن لتقنيات التحليل الإحصائي الجديدة اكتشاف المزيد من الكواكب الخارجية المحتملة من ملايين منحنيات الضوء التي جمعتها كبلر. يمكن أيضًا البحث والتحليل البيانات التي تحتوي على مواقع النجوم وأطيافها من الملاحظات السابقة من قبل المراصد الأخرى ، واستخراج المزيد من المعلومات حول الكواكب المكتشفة سابقًا ، لتأكيد الكواكب المرشحة المشتبه بها ، وحتى يمكن استخدامها للعثور على كواكب غير مكتشفة!

استضافت Night Sky Network مؤخرًا لقاءً مع الدكتور تشارلز بيشمان من معهد ناسا والكواكب الخارجية ، ويمكنك العثور على عرضه التقديمي وتسجيل عرضه التقديمي حول مستقبل علوم الكواكب الخارجية على صفحتنا المخصصة عن بعد. يقدم موقع NASA & # 39s PlanetQuest قدرًا هائلاً من المعلومات للاستخدام من قبل الجمهور والمعلمين وعلماء الفلك الهواة ، ويمكن أيضًا العثور على مزيد من المعلومات التقنية على موقع NASA & # 39s Exoplanet Exploration Program.


عنوان صندوق البحث

حجمها وجاذبيتها السطحية أكبر بكثير من الأرض ، وقد تكون بيئتها الإشعاعية معادية ، لكن كوكبًا بعيدًا يسمى K2-18b استحوذ على اهتمام العلماء في جميع أنحاء العالم. لأول مرة ، اكتشف الباحثون آثار بخار الماء في الغلاف الجوي لكوكب خارج نظامنا الشمسي يتواجد في "المنطقة الصالحة للسكن" ، وهي المنطقة المحيطة بنجم والتي يمكن أن تتجمع فيها المياه السائلة على سطح كوكب صخري.

استخدم علماء الفلك في مركز بيانات الكيمياء الخارجية للفضاء في جامعة كوليدج لندن في المملكة المتحدة بيانات من تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا للعثور على بخار الماء في الغلاف الجوي لكوكب K2-18b ، وهو كوكب خارج المجموعة الشمسية حول نجم قزم أحمر صغير يبلغ حوالي 110 سنوات ضوئية. بعيدًا في كوكبة الأسد.

إذا تم تأكيد ذلك من خلال مزيد من الدراسات ، فسيكون هذا الكوكب الخارجي الوحيد المعروف بوجود الماء في غلافه الجوي ودرجات الحرارة التي يمكن أن تحافظ على المياه السائلة على سطح صخري. لن يكون الماء السائل ممكنًا إلا إذا تبين أن الكوكب أرضي بطبيعته ، بدلاً من أن يشبه نسخة صغيرة من نبتون.

نظرًا للمستوى العالي من نشاط نجمه القزم الأحمر ، قد يكون K2-18b أكثر عدائية للحياة كما نعرفها من الأرض ، حيث من المحتمل أن يتعرض لمزيد من الإشعاع عالي الطاقة. الكوكب ، الذي اكتشفه تلسكوب كبلر الفضائي التابع لناسا في عام 2015 ، له كتلة أكبر بثماني مرات من كتلة الأرض.

استخدم الفريق بيانات أرشيفية من 2016 و 2017 تم التقاطها بواسطة Hubble وطوروا خوارزميات مفتوحة المصدر لتحليل ضوء النجم المضيف المرشح عبر الغلاف الجوي لـ K2-18b. كشفت النتائج عن البصمة الجزيئية لبخار الماء ، وتشير أيضًا إلى وجود الهيدروجين والهيليوم في الغلاف الجوي للكوكب ، وهما غازان غير مناسبين للحياة كما نعرفها.

يعتقد مؤلفو الورقة البحثية ، التي نُشرت في مجلة Nature Astronomy ، أن الجزيئات الأخرى ، بما في ذلك النيتروجين والميثان ، قد تكون موجودة لكنها تظل غير قابلة للاكتشاف من خلال الملاحظات الحالية. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتقدير التغطية السحابية والنسبة المئوية للمياه الموجودة في الغلاف الجوي. تم تقديم ورقة بحثية من فريق مختلف من العلماء باستخدام ملاحظات هابل إلى المجلة الفلكية.

K2-18b هو واحد من مئات الكواكب الخارجية المعروفة التي تقع كتلتها بين كوكب الأرض ونبتون - وجدها كبلر. من المتوقع أن تكتشف مهمة TESS التابعة لناسا مئات الكواكب الأرضية الفائقة في السنوات القادمة. سيكون الجيل القادم من التلسكوبات الفضائية ، بما في ذلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، قادرًا على وصف أجواء الكواكب الخارجية بمزيد من التفصيل.


الآثار المترتبة على تنوع الكواكب الخارجية

في العشرين عامًا الماضية من اكتشاف الكواكب الخارجية ، كان التنوع الهائل للكواكب الخارجية أحد أهم النتائج. يجب أن تكون نظائر النظام الشمسي نادرة إلى حد ما على الرغم من صعوبة اكتشافها نسبيًا ، إلا أنه لم يتم التعرف على أي منها حتى الآن. يبدو أن أقل من 10-20٪ من النجوم الشبيهة بالشمس يمكنها استضافة نسخ من النظام الشمسي. بدلاً من ذلك ، وجد علماء الفلك أن الكواكب الخارجية وأنظمة الكواكب الخارجية متنوعة بشكل لا يصدق ، مع وجود كواكب من جميع الكتل والأحجام التي يمكن تصورها تقريبًا بالإضافة إلى فواصل مدارية عن نجمها المضيف (13). واحدة من أكثر اكتشافات الكواكب الخارجية إثارة للدهشة هي أن النوع الأكثر شيوعًا من الكواكب ليس كوكبًا بحجم كوكب المشتري ولكنه كوكب يبلغ حجمه ضعف حجم الأرض أو أصغر (3). تشمل المعالم البارزة الأخرى لتنوع الكواكب الخارجية كثرة الكواكب الفرعية بحجم نبتون (14 ، 15) التي تقع بين أحجام الأرض ونبتون مع عدم وجود نظير في النظام الشمسي وتشكيل لم يتم فهمه بعد (على سبيل المثال ، المرجع 16) الكواكب الدائرية (17) ) أنظمة كواكب متعددة مضغوطة (18) ، بما في ذلك واحد على الأقل به خمسة كواكب تدور حول الداخل إلى ما سيكون مدار عطارد (19) وعوالم صخرية ساخنة من المتوقع أن تسخن أسطحها بواسطة نجمها إلى أكثر من 2000 كلفن ، وهي ساخنة بدرجة كافية لإنشاء أسطح الحمم البركانية السائلة [Kepler 10b (20) و Kepler 78b (21 ، 22)].

يوضح تنوع كتل الكواكب الخارجية وأحجامها ومداراتها الطبيعة العشوائية لتكوين الكواكب ، ونتوقع أن يمتد هذا التنوع ليشمل الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية من حيث كتلة الغلاف الجوي وتكوينه. لا يمكن التنبؤ بكتلة الغلاف الجوي وتكوين أي كوكب خارجي محدد (23) ، وبالإضافة إلى ذلك ، لم تتمكن الملاحظات بعد من قياس تكوين الغلاف الجوي أو تقديرات إنتاجية كتلة الغلاف الجوي. ومع ذلك ، يجدر تلخيص بعض العوامل الرئيسية التي تتحكم في الغلاف الجوي للكوكب. يتكون الغلاف الجوي للكوكب من إطلاق الغازات أثناء تكوين الكوكب أو يتم التقاطه جاذبيًا من السديم الكوكبي الأولي المحيط. كمية الغاز التي يتم التقاطها أو إطلاقها غير معروفة وقد تختلف على نطاق واسع. بالنسبة للكواكب الأرضية ، قد يتغير الغلاف الجوي البدائي تمامًا عن طريق هروب الغازات الخفيفة إلى الفضاء ، واستمرار إطلاق الغازات من الداخل النشط ، والقصف بالكويكبات والمذنبات. في مرحلة لاحقة ، لا تزال العمليات الفيزيائية التي تعمل في الجزء العلوي أو السفلي من الغلاف الجوي تنحت الغلاف الجوي ، بما في ذلك الهروب الجوي الحراري وغير الحراري للغازات الخفيفة ، والبراكين ، والصفائح التكتونية. مراجعة لتطور الغلاف الجوي للأرض في المرجع. 24.

يحفز تنوع الكواكب الخارجية ، المرصودة والمنظورة على حدٍ سواء ، رؤية منقحة لإمكانية سكن الكواكب الخارجية (25) (الشكل 1). يُعرَّف الكوكب الصالح للحياة عمومًا على أنه كوكب يتطلب سطحًا مائيًا سائلًا ، لأن كل أشكال الحياة على الأرض تتطلب الماء السائل. تتطلب المياه السطحية السائلة بدورها درجة حرارة سطح مناسبة. نظرًا لأن المناخات (وبالتالي درجة حرارة السطح) للكواكب ذات الأغلفة الجوية الرقيقة تهيمن عليها مدخلات الطاقة الخارجية من النجم المضيف ، فإن المنطقة الصالحة للسكن للنجم (26 ، 27) تعتمد على المسافة من النجم المضيف. النجوم الصغيرة ، مع نواتج لمعانها المنخفضة نسبيًا ، لديها منطقة صالحة للسكن أقرب بكثير منها مقارنة بالنجوم الشبيهة بالشمس. بالإضافة إلى الطاقة من النجم المضيف ، فإن تأثيرات الاحتباس الحراري للأغلفة الجوية للكوكب الصخري هي التي تتحكم في درجة حرارة السطح. وجهة النظر المنقحة هي أن قابلية الكوكب للسكن خاصة بالكوكب ، لأن النطاق الهائل لتنوع الكواكب من حيث الكتل والمدارات وأنواع النجوم يجب أن يمتد إلى الغلاف الجوي للكوكب بناءً على الطبيعة العشوائية لتكوين الكوكب والتطور اللاحق.

المنطقة الموسعة الصالحة للسكن. تصور المنطقة الزرقاء المنطقة التقليدية الصالحة للسكن لـ N.2-CO22أجواء يا (27 ، 30). تُظهر المنطقة الوردية الداكنة أن المنطقة الصالحة للسكن ممتدة إلى الداخل بالنسبة للكواكب الجافة (28 ، 29) وجافة مثل 1٪ الرطوبة النسبية في الغلاف الجوي (28). تُظهر المنطقة الخارجية ذات اللون البني البرتقالي الامتداد الخارجي للمنطقة الصالحة للسكن للأجواء الغنية بالهيدروجين (31) ، ويمكن أن تمتد حتى إلى الكواكب العائمة بدون نجم مضيف (32). تظهر كواكب النظام الشمسي بالصور. الكواكب الأرضية الفائقة المعروفة (الكواكب التي تقل كتلتها أو تقل كتلتها عن 10 كتل أرضية مأخوذة من المرجع 86). معدل من المرجع. 25.

تم وصف المنطقة الصالحة للسكن للنجوم الشمسية بأنها تتراوح من حوالي 0.5 (للكواكب الجافة) (المرجعان 28 و 29 لكن راجع المرجع 30) إلى 10 AU [للكواكب الصخرية في الغالب مع أجواء الهيدروجين (31) التي تدور حول الشمس مثل النجم أو ما بعده ، اعتمادًا على خصائص الغلاف الجوي والداخلية للكوكب (32)]. إن امتداد المنطقة الصالحة للسكن مثير للجدل إلى حد ما ، لأنه في نهاية الفصل الصغير بين الكواكب والنجوم ، هناك فهم محدود للعمليات الكوكبية ، مثل البراكين ، والصفائح التكتونية ، ومعدلات الترطيب ، على الكواكب الخارجية لخزانات المياه المنخفضة. At the larger planet–star separation end, there is an inability to determine which of the many thermal and nonthermal atmospheric escape processes are dominant on planets with unknown compositions and host star UV radiation history.

Extreme caution should be taken with the quantitative predictability of exoplanet habitable zone models based on the complicated physics and the imposed model input conditions (including but not limited to planet obliquity and planet atmosphere mass). In particular and as a good example, there is serious disagreement in the literature about the inner edge of the habitable zone. For example, information in ref. 28, which finds an inner edge of 0.5 AU, differs substantially from information in ref. 29, which finds an inner edge of 0.77 AU. Although ref. 28 used a 1D model and ref. 29 used a 3D model, the most significant difference is likely the relative humidity (28), because a 1D model must impose a globally averaged relative humidity (1% imposed by ref. 28), whereas a general circulation model (GCM) can calculate the relative humidity (which appears closer to 10% in ref. 29). The 1% value originates from an order of magnitude estimate based on very dry equatorial regions and moist poles that will have liquid precipitation, a case that should apply for very dry planets that have reasonably fast rotation rates. This basic postulate is being further investigated with the MIT 3D GCM. One possible reconciliation between refs. 28 and 29 is that a 3D model could yield a much lower global relative humidity with an increased range of parameter space, such as that investigated in ref. 28 (including surface gravity, surface albedo, and stellar type). Ultimately, observations of a rocky planet with water vapor at a small planet–star separation will be needed to try and settle this debate.

Regardless of model-based opinion, we must keep an open mind in the choice of exoplanets to search for signs of life simply to increase the chances of success.


Huge Space Telescope Needed to Seek Life on Alien Planets

Humanity will probably have to wait a few decades to find out if life is common beyond our own solar system.

While NASA's James Webb Space Telescope (JWST) — which is scheduled to launch in 2018 — will be capable of finding signs of life on nearby exoplanets, a broad and bona fide hunt for life beyond Earth's neighborhood will require bigger spacecraft that aren't even on the agency's books yet, experts say.

"To find evidence of actual life is going to take another generation of telescopes," JWST telescope scientist Matt Mountain, director of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, said during a NASA briefing Monday (July 14). "And to do that, we're going to need new rockets, new approaches to getting into space, new approaches to large telescopes — highly advanced optical systems." [10 Exoplanets That Could Host Alien Life]

A chance to find signs of life

The $8.8 billion JWST features 18 hexagonal mirror segments that will work together to form one 21-foot-wide (6.5 meters) mirror — larger than any other mirror that's ever flown in space, NASA officials said. (For comparison, the agency's iconic Hubble Space Telescope sports an 8-foot, or 2.4 m, primary mirror.)

JWST is optimized to view in infrared light. The telescope should be able to do lots of different things during its operational life, researchers say, including scanning the atmospheres of alien planets for oxygen and other gases that could be produced by living organisms. (Such delicate work is best performed by space telescopes, which don't have to look through Earth's atmosphere.)

JWST will work in concert with another NASA space mission in this regard, performing follow-up observations on promising nearby worlds found by the agency's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which is scheduled to blast off in 2017.

"With the James Webb, we have our first chance — our first capability of finding signs of life on another planet," MIT astrophysicist Sara Seager said during Monday's NASA briefing. "Now nature just has to provide for us." [5 Bold Claims of Alien Life]

A numbers game

But nature may not be so willing, at least during the JWST mission, Seager and other experts stress. And it all comes down to numbers.

There is no shortage of planets in the Milky Way. Our galaxy teems with at least 100 billion planets, 10 to 20 percent of which, Mountain said, likely circle in their host star's "habitable zone" — that just-right range of distances that could allow liquid water to exist on a world's surface. If there's nothing terribly special about Earth, then life should be common throughout the cosmos, many scientists think.

But most exoplanets are very far away, and all of them are faint. JWST, while large by current standards, won't have enough light-collecting area to investigate more than a handful of potentially habitable planets, researchers say.

A spacecraft with a 33-foot (10 m) mirror would give researchers a much better chance of finding biosignatures in alien atmospheres, but Mountain would like something even bigger.

"With a 20-meter telescope, we can see hundreds of Earth-like planets around other stars," he said. "That's what it takes to find life."

Laying the foundation

There are no concrete plans to build and launch such a large space telescope, whose size would pose a number of logistical and engineering challenges. However, JWST is a potentially big step along the way to this goal.

For example, the JWST team figured out how to make mirror segments with incredible precision — a skill that could come in handy down the road.

"They're basically perfect," said JWST senior project scientist John Mather of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, who won a Nobel Prize in 2006 for his work with the agency's Cosmic Background Explorer satellite.

"If we were to expand the mirror to the size of the continental United States, the mirror would be accurate to within 3 inches," Mather said. "This is completely amazing technology we have now mastered and are using."

The hunt for life on distant worlds will be a multi-generational effort that goes from TESS and JWST to other, larger space telescopes, Seager said. And overcoming the various challenges involved will almost certainly require the cooperation of a number of different countries and organizations.

"Putting together the partnership that can find Earth 2.0 is a challenge worthy of a great generation," Mountain said.

Closer to home

All of this does not necessarily mean, however, that alien life won't be detected until humanity launches an enormous space telescope. Indeed, confirmation that Earthlings aren't alone in the universe may come from worlds much closer to home.

For example, NASA's next Red Planet rover, which is due to launch in 2020, will hunt for signs of past Mars life. And both NASA and the European Space Agency have plans to mount a mission to Jupiter's ocean-harboring moon Europa, which many experts regard as the solar system's best best to host alien life.

Europe's JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) mission is currently scheduled to blast off in 2022 to study the Jovian satellites Callisto and Ganymede in addition to Europa. NASA officials have said they hope to launch a Europa mission sometime in the mid-2020s.


How NASA's James Webb Space Telescope Could Spot Earth-like Planets

The James Webb Space Telescope has been in the news a lot lately. Often referred to as the replacement for the Hubble Space Telescope, its existence has been in jeopardy since a House committee voted to cut its funding this summer. While the telescope promises to revolutionize space science, its expanding budget has caused politicians and others to wonder if the promised returns justify the cost.

The JWST is not merely an upgraded version of Hubble. Rather than measure visible or ultraviolet light like Hubble does, JWST will detect infrared wavelengths from 0.6 (orange light) to 28 micrometers (deep infrared radiation of about 100 K, about minus 173 degrees Celsius or minus 280 degrees Fahrenheit).

Because JWST will be looking for heat, the telescope has to be kept very cold, and shielded from radiation coming from the sun, Earth and moon. To keep the telescope's temperature down to 40 degrees Kelvin (minus 233 C or minus 388 F), JWST will have a large sunshield and will orbit the sun at Lagrange Point 2.

The orbit of JWST will be 930,000 miles (1,500,000 kilometers) from the Earth, nearly 4 times farther than the distance between the Earth and the moon. The balance of gravitational forces from the Earth and sun at the L2 point will keep JWST in a stable orbit without having to expend much energy. However, this great distance also means servicing or repairing the telescope after launch may not be possible. [Photos: Building the James Webb Space Telescope]

"JWST's complexity, with large deployable optics and other systems operating at 40 K in an environment precluding any repair or servicing missions, has probably created one of the world's most complex and expensive integration and test programs," Michael Kaplan, NASA's first Program Executive for the James Webb Space Telescope program, wrote recently in The Space Review. While this testing protocol a part of the ballooning budget, the Independent Comprehensive Review Panel Report, issued in late 2010, said the main problem was that the necessary development costs had not been properly estimated, and the budget therefore had been unrealistic.

Five years ago, the project was estimated to cost 2.4 billion dollars, but the latest reports peg the total at closer to 8.7 billion. This July, the House of Representatives' appropriations committee on Commerce, Justice, and Science moved to cancel the project by taking $1.9 billion out of NASA's 2012 budget. Maryland Senator Barbara Mikulski is now the project's main defender in Congress, since, as is the case with Hubble, the Science and Operations Center for JWST is the Baltimore-based Space Telescope Science Institute. (JWST development is led by NASA's Goddard Space Flight Center, and the telescope is being built by Northrop Grumman Aerospace Systems for NASA, the European Space Agency, and the Canadian Space Agency.)

While Congress deliberates the issue, NASA administrator Charlie Bolden said JWST is one of the agency's top priorities. He added that NASA needed to look across all its programs to find funding for JWST as well as its other two priorities: sending commercial crews to the ISS, and developing the next generation space shuttle: the Space Launch System (SLS).

Due to the size of the budget, the journal Nature called JWST "the telescope that ate astronomy." Yet even if JWST is canceled, the money won't be given to other astronomical projects &mdash instead, under the recommendations of the House appropriations committee, the funding would be entirely eliminated from NASA's budget.

As of this writing an estimated $3.5 billion has been spent on the JWST project, with about three-fourths of the construction and testing completed. If JWST is not canceled by Congress, it is scheduled to launch in 2018 on the European Space Agency's Ariane 5 rocket.

The goal of the JWST is to search for the first stars and galaxies that formed after the Big Bang, and study the formation and evolution of galaxies, stars, and planetary systems. According to Matt Mountain, director of the Space Telescope Science Institute, and John Grunsfeld, former NASA astronaut and STScI deputy director, JWST also will be able to search for and study planets orbiting distant stars in a way that no other telescope can. Astrobiology Magazine editor Leslie Mullen recently talked with Mountain and Grunsfeld about what JWST could reveal about habitable worlds in our galaxy.

Leslie Mullen: The James Webb Space Telescope should be able to find exoplanets, and now there's talk that a star shade could extend this capability. Could you tell me more about that?

Matt Mountain: The whole idea with the star shade is, once we get James Webb up there and working, then you can launch the star shade and it floats in front of it, a hundred thousand miles away from us. It's an autonomous vehicle that you keep lined up.

Mullen: Can you explain what the star shade actually does?

Mountain: It's like putting your thumb in front of the Sun &mdash it creates a shadow. It's very carefully shaped, so you don't get the sort of flaring that you normally get when you use a perfect sphere, where you get all these rings and refractions. These petals are designed to create a very smooth, very deep shadow. You basically slide in and out of the shadow, and then you can actually see the planet next to the star. The star is in the shadow, and the planet peeks around the shadow.

Mullen: You can see any sort of planets with that?

Mountain: Any planet that's within 1 AU, like a habitable zone, or [farther] out.

John Grunsfeld: James Webb is sold as studying galaxies, but I think its greatest discovery may be a habitable Earth-like exoplanet. That's what's going to blow everybody away.

Mullen: So you'd be able to directly image a terrestrial planet, which has never been done before?

Grunsfeld: بالضبط. But it wouldn't be like a Rand McNally map, it would be a spot. But because you'd see a spot, we can then do a spectrum of that spot.

Mountain: You'd actually get a color. If it's like Earth, it'll look blue.

Grunsfeld: And, if you had enough time, and there were seasons, with ice covering and then going away, you could study it and be able to tell the difference between winter and summer on the planet, or vegetation, in principle. Just from unresolved single pixels, because of the color changes.

Mountain: Or you could tell it is rotating.

Mullen: Is there a limit to the kinds of stars JWST can target for planet searches?

Mountain: You can only look at stars out to a certain distance, to about 10 or 20 parsecs. But that's ok, because the planets [farther out] are too faint anyway. Any farther away and we can't differentiate them, both the planet and the star will be hidden by the star shade.

Mullen: Could James Webb confirm the exoplanet candidates discovered with the Kepler space telescope?

Mountain: Not the Kepler set, because they're all very distant.

Mullen: They're not within 10 to 20 parsecs?

Grunsfeld: They picked them not because they were close to Earth, but in a sense because they were far away. Not all of them, but in that one field [where Kepler looks], there were lots and lots of stars. And you say why didn't they point toward the center of the Milky Way galaxy, but that's too many stars. So their Goldilocks Zone is the number of stars in their field of view that was just about right so they can study 150,000 stars in one go. In order to see the nearest thousand stars around Earth, you have to look in all directions, because they're spherically all around us.

Mullen: And James Webb will be able to see that whole sphere?

Mountain: Yes, over the course of a year it can sample the entire sphere and can sample tens of possible habitable stars: 20, 30, 40. You can search the nearest 20 to 30 solar systems, and based on current assumptions there is a significant likelihood you could find 5 Earth-like planets. You can make 9 to 10 repeat observations, which will be needed to confirm 5 Earth-like planets.

Grunsfeld: But here's the key, and this is what James Webb can uniquely do. Let's say these cubesats[small satellites designed to hunt for exoplanets] identify in the hundred or so stars that are close to us, based on transits[when a planet passes in front of its star], Earth-sized planets in habitable zones around those stars. That's all we can learn. We may be able to learn how far away they are from their parent star, their mass and diameter. Those are all good things. And you say, gosh, that looks a lot like Earth. But does it have oceans? Does it have an atmosphere? Are there any chemical signs of interest there? That's where James Webb comes in, and that's what James Webb will be able to do with or without a star shade for a subset. The star shade expands that remarkably. It allows you to see the atmosphere of planets that are orbiting nearby stars.

Mountain: We've already shown with the modeling that if there's a SuperEarth with the right orientation, where the planet transits the star, we can detect liquid water. You can look at the spectra for water in the atmosphere and other things.

Mullen: Why can JWST see only a subset of planets, but you need a star shade for the others?

Grunsfeld: You can do atmospheric transmission from a transit. Now, what if it's not transiting? Then what do you do? James Webb needs a star shade for those others.

Mountain: If you think of it geometrically, the orientation's got to be right. If you do the statistics, you'll measure a transit for 5 to 7 percent of stars. Well, 5 to 7 percent is already a small number, and there's a small number of Earth-like planets, and a small number of those will be in the habitable zone. But what you really want to do is a census of all the nearby stars, and take spectra directly, independent of the orientation. The star shade enables that.

Mullen: It seems one of the difficulties of JWST is the technology that needed to be developed beyond what had been done for previous telescopes.

Mountain: The technology has all been going really well. One of the most challenging things was the mirrors. Each individual mirror on James Webb is close to Hubble. We have all the mirrors. Half of them are in boxes, and they're all ready to roll.

Mullen: The James Webb telescope is projected to cost about 8.7 billion. How much did Hubble cost?

Grunsfeld: About 6 billion in today's dollars, not including the science operations. James Webb started in earnest in about year 2000, and it'll take about 15 years to complete, and then test and launch. Hubble started in 1975, and it took about 15 years to assemble, test and launch. Hubble is 26,500 pounds, and James Webb is about half of that, but more complex. To build something brand-new, technologically advanced, pushing the envelope in its time, it'll cost a quantum unit, and if you want to repeat that experience, inflating to current-year dollars, if it costs vastly different, more or less, you either have a breakthrough, which everyone will then want to figure out why it cost so little, or you're doing something wrong. And I think the miraculous thing about James Webb is, it's much harder than Hubble. It has to operate close to absolute zero, 40 Kelvin, a million kilometers from Earth, not in Earth orbit, it can't be fixed, and it doesn't fit in the rocket it launches on &mdash it has to unfold when it gets there.

Mullen: I worry about it not unfolding properly after launch. That's always a risk for these space missions, isn't it?

Mountain: Those technologies are the ones we inherited from industry. There's no way you can launch a 19-meter antenna. But you need two 19-meter antennas if you want to transmit HDTV and internet from geostationary orbit, where you make real money. Such deployable antennas are the provenance for the star-shade technology. For JWST it's this plus a whole raft of large deployable technologies aerospace companies use.

Grunsfeld: And of course, everybody needs HDTV. CNN reported that this year, the television rights for advertising just for college basketball exceeded NASA's budget. The rights for college football is much more. So what are our priorities? When you heard about bank bailouts and these kinds of things, we could have fleets of James Webbs for the AIG bail-out. Obviously that was a national priority to prevent collapse &mdash or at least that was the story &mdash but those were very big numbers, and these are very small numbers.

Mullen: Would you ever want James Webb to have commercial partners?

Mountain: No, it's just a government project.

Mullen: But why not? Seems everything in space is going commercial these days.

Mountain: What is James Webb for? It's pure science. It's part of the scientific endeavor. It's like Hubble. Hubble was paid for by the taxpayer. How many kids did we turn on to science because they saw a great Hubble picture? In Hubble we make two discoveries a day. People shouldn't be paying for those images because the taxpayer already paid for it upfront.

Grunsfeld: The whole point is, right now the commercial space industry for human spaceflight, or even commercial orbital transportation of cargo for human space flight at NASA, it's almost fully subsidized by NASA. Companies are saying it's commercial. But none of them would exist if it wasn't for NASA putting money up front. Not tens of dollars, but hundreds of millions of dollars. And the reason is, and this commercial drive is, the hope that they will spur on industries that are subsidized.

And so for instance, the companies that are building James Webb Space Telescope, NASA is paying them to build it, and NASA is paying the other companies to develop technologies for James Webb Space Telescope, and it's to do pure science. It's to discover an Earth-like planet around nearby stars, to discover the very first stars that ever formed in the universe &mdash these incredible things.

What does that do for us? Well, for the company that's building it, when they go to build the next communications satellite, or the next spy satellite, or the next commercial satellite for something else, they have all that expertise now that allows them to build it that otherwise they would not have been able to invest in. Because they weren't trying hard things. If the United States doesn't try to do hard things and really interesting things, all we're going to end up with is college basketball, professional sports, entertainment, and service [industries].

Mountain: And the other thing is, it inspires people to say, "Do you want to work on the telescope that's going to find the first life?" It doesn't matter if you work for NASA or a commercial company, that gets the engineers interested. The company brings in very smart people, and what's more, they can talk about what they do. Because when they're working on a spy satellite, they can't even tell their kids what they do. But to be able to tell their kids and their spouses that they are working on the forefront that's going to change the world . the companies always tell you they're incredibly proud to be associated with these missions.

And they even occasionally make money. They're getting a huge return on their investment. Congress several years ago worked out that for every dollar invested in space science, 7 dollars got returned to the US economy over a period of 20 years, from the sheer technology flow. In Europe they made a similar calculation, that for every dollar they invested in big science in Europe, roughly 3 to 4 dollars got returned to the European economy over the same period because of the improvements.

You know, if we hadn't funded this crazy German who talked about relativity and bending the light, or this crazy guy who wanted to build a device based on that strange quantum theory thing and all he talked about was dead cats in a box &mdash I mean, what was he talking about? But because they funded those things, we now have GPS.

Grunsfeld: All of news about the James Webb Space Telescope over the past year has been about how it's expensive, it's going to take a long time, and if only we didn't have to spend that money, we'd be able to do all these great scientific things. And what has been lost for some reason that I don't understand &mdash maybe because I'm a newcomer to the project &mdash is that, yes it's expensive, but it's also, enormously by many factors, the most capable astronomical facility that we'll ever have.

And in the fields of dark energy, dark matter, all of astrophysics, but specifically in exoplanets, it does all the things that everybody is saying, "Oh, if only we didn't have James Webb we could do this." But James Webb does it, and does it better than they think the new missions might. So it's very frustrating.

This story was provided by Astrobiology Magazine, a web-based publication sponsored by the NASA astrobiology program.


شاهد الفيديو: أمثلة على الإعجاز العلمي الجبال كالأوتاد الرياح والتلقيحالفرث والدم كروية الأرض النجم الطارق (شهر فبراير 2023).