Исследователи из Массачусетского технологического института провели новое исследование точности данных телескопа Уэбба. Будет она настолько высокой, что нынешние модели, используемые астрономами, окажутся недостаточными для интерпретации наблюдений.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» демонстрирует Вселенную с необычайной чёткостью, а также наблюдает дальше, чем когда-либо прежде. Сверхчувствительное инфракрасное зрение позволяет пробиться сквозь космическую пыль и осветить самые ранние структуры Вселенной.
Однако новое Массачусетский технологический институт считает, что для точного прочтения данных нового телескопа инструменты астрономов могут оказаться недостаточными. Модели непрозрачности, которые показывают взаимодействие света с материей, возможно, потребуют больших уточнений, чтобы соответствовать точности данных Уэбба.
Без усовершенствования эти модели не обеспечат точности и качества данных с Уэбба. Исследования, основанные на обработке необработанных данных, могут дать недостоверные результаты. Например, свойства планетных атмосфер, такие как температура, давление и элементный состав, могут оказаться неточными в разы.
Свет и материя: модели непрозрачности
Непрозрачность показывает, насколько легко фотоны света проходят сквозь материал. В разных диапазонах длин волн фотоны могут проходить прямо через вещество, поглощаться или отражаться в зависимости от взаимодействия с молекулами. Взаимодействие зависит также от температуры и давления материала.
Модель непрозрачности — инструмент, основанный на предположениях о взаимодействии света с веществом. Астрономы применяют её для определения свойств материала по спектру излучаемого света. В случае экзопланет модель может установить тип и количество химических веществ в атмосфере по излучению, захваченному телескопом.
Де Вит утверждает, что нынешняя модель прозрачности хорошо справляется с расшифровкой спектральных данных, собранных такими аппаратами, как космический телескоп Хаббл. Но настоящая трудность заключается в том, что Хаббл функционировал в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. В свою очередь, «Уэбб» сделал еще один шаг вперед: помимо высокой точности, он выходит за пределы пыли, тем самым превосходя ту часть непрозрачности, которую считают модели, просто благодаря наблюдениям. Как же перевести его данные?
Доработка моделей для обработки данных из телескопа Уэбба.
В исследовании Де Вит и соавторов была протестирована наиболее часто используемая модель непрозрачности. Попытка понять, каких атмосферных свойств достигнет модель при модификации с учетом определенных ограничений в нашем понимании взаимодействия света и материи. Создано восемь «возмущенных» моделей. Каждая модель, включая реальную версию, снабжена синтетическими спектрами — образцами света, смоделированными командой и схожими с точностью, с которой телескоп Джеймса Уэбба мог бы видеть.
На изображении представлено сравнение синтетических спектров пропускания горячей планеты Юпитера, полученных комбинированным широкополосным наблюдением NIRSpec и MIRI телескопа Уэбба для разных моделей непрозрачности, использованных в исследовании. Отклонения от невозмущенной модели достигают 20-150 ppm (частей на миллион).
Ученые выяснили, что разные модели возмущенных систем, опираясь на одни и те же спектральные данные, дают противоположные предсказания о свойствах планетарной атмосферы. По их мнению, существующие модели непрозрачности недостаточно точны для определения температуры атмосферы (300 К или 600 К) и содержания газа (5% или 25%) на основе спектров, полученных «Уэббом». Такая неточность препятствует пониманию механизмов формирования планет и определению биологических особенностей.
Ученые выяснили, что при использовании одних и тех же спектров света разные модели возмущенных состояний дают совершенно несопоставимые предсказания о свойствах атмосферы планеты. Команда пришла к выводу, что существующие модели непрозрачности недостаточно чувствительны для определения температуры атмосферы (300 К или 600 К), концентрации определенного газа в атмосферном слое (5% или 25%) применительно к спектрам света, обнаруженным «Уэббом».
Неправильные модели или неточные результаты?
Моделирование выявило, что каждая модель достигла «хорошей подгонки» к данным. Это означает, что даже если модифицированная модель выдала неправильный химический состав, спектр света этого состава был очень похож на исходный. Это вызывает замешательство: либо ошибочная модель все еще адаптируется к новым требованиям, поставленным Уэббом, и модели несовершенны, либо их заявления неточны. Что предстоит выяснить Де Виту, его коллегам и другим специалистам в этой области.
В настоящее время учёные предлагают различные концепции совершенствования существующих моделей непрозрачности. Для уточнения предположений о взаимодействии света с молекулами необходимы лабораторные эксперименты и теоретические расчёты. Полагая, что достаточно хорошо знакомы условия на Земле, следует учитывать, что при переходе к различным атмосферным типам всё меняется.