2021年に、NASAの次世代天文台、 ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡 （JWST）、スペースを取る。運用が開始されると、この主力ミッションは、他の宇宙望遠鏡のような場所をピックアップします。 ハッブル、ケプラー、および スピッツァー - やめた。これは、いくつかの最大の宇宙の謎を調査することに加えて、潜在的に居住可能な太陽系外惑星を検索し、それらの大気を特徴付けることを試みます。
これは、JWSTを以前のバージョンと区別するものの一部です。その高感度と赤外線イメージング機能の間に、これまでにないような太陽系外惑星の大気に関するデータを収集することができます。ただし、NASAがサポートする研究が最近示したように、大気が密集している惑星には広範囲にわたる雲量がある可能性があり、すべての最も重要なデータのいくつかを収集する試みが複雑になる可能性があります。
天文学者は何年もの間、トランジット測光（別名、トランジット法）を使用して、遠方の星の明るさの低下を監視することにより、太陽系外惑星を検出してきました。この方法は、一部の惑星の大気組成を決定するのにも役立つことがわかっています。これらの天体が星の前を通過すると、光が大気を通過し、そのスペクトルが分析されて、そこに含まれている化学元素が確認されます。
これまでのところ、この方法は、太陽を遠くに回る巨大惑星（ガスジャイアントと「スーパージュピター」）を観測するときに役立ちました。ただし、太陽に近づく軌道にある小さな岩の惑星（つまり、「地球のような」惑星）を観測すると、それらは星の居住可能ゾーン内に置かれ、宇宙望遠鏡の能力を超えていました。
このため、天文学コミュニティは、JWSTのような次世代の望遠鏡が利用できる日を楽しみにしています。岩石の多い惑星の大気を通過する光のスペクトル（透過分光法として知られている方法）を調べることにより、科学者は酸素ガス、二酸化炭素、メタン、および生命に関連するその他の兆候（別名「バイオシグネチャー」）の明確な指標を探すことができます。 」）。
（私たちが知っているように）生命にとってもう1つの重要な要素は水です。そのため、惑星の大気中の水蒸気の兆候は、将来の調査の主要なターゲットになります。しかし、シカゴ大学地球物理学科の博士研究員であるタデウス・コマセックが率いる新しい研究では、豊富な地表水をもつ惑星が、その大気中に豊富な雲（凝縮する氷の粒子）を持つ可能性がある。 。
この研究のために、コマセックと彼の同僚は、これらの雲が地球外惑星の大気中の水蒸気を検出する試みを妨害するかどうかを調べました。 Proxima bのように、近年、M型（赤色矮星）の居住可能ゾーン内で発見された岩のような太陽系外惑星の数により、隣接する赤色矮星が将来の調査の主な焦点となります。
Komackがスペースマガジンに電子メールで説明したように、赤い矮小星を周回する潮汐でロックされた惑星は、透過分光法を含む研究に適しています。それには、いくつかの理由があります。
「星のサイズに対する惑星のサイズの比率がより大きいため、赤い矮星を周回する通過惑星は、太陽のような星を周回するそれらより好ましいターゲットです。伝送における信号のサイズは、惑星のサイズと星のサイズの比の2乗に比例するため、地球よりも小さな星への信号は大幅に増加します。
「赤い矮星を周回する惑星が観測するのにより有利であるもう1つの理由は、「居住可能ゾーン」、または惑星の表面に液体の水があると予想される場所が、星に非常に近いためです...これらのため接近した軌道、赤い矮星を周回する居住可能な岩の惑星は、はるかに頻繁にその星を通過するため、観測者は多くの繰り返し観測を行うことができます。“
これを念頭に置いて、Komacekと彼のチームは2つのモデルを組み合わせて使用して、M型星の周りの潮汐でロックされた惑星の合成透過スペクトルを生成しました。 1つ目は、コロラド大学の大気宇宙物理学研究所（LASP）のエリックウルフ博士によって開発されたExoCAMでした。これは、地球の気候をシミュレートするために使用されるコミュニティ地球システムモデル（CESM）で、太陽系外の大気の研究に適合しています。
彼らは、ExoCAMモデルを使用して、赤い矮星を周回する岩が多い惑星の気候をシミュレートしました。次に、NASAのGoddard Space Flight Centerによって開発されたPlanetary Spectrum Generatorを使用して、JWSTがシミュレートした惑星から検出する透過スペクトルをシミュレートしました。 Komacekが説明したように：
「これらのExoCAMシミュレーションは、温度、水蒸気混合比、および液体と氷の水の雲の粒子の3次元分布を計算しました。赤い矮星を周回する惑星は地球よりもはるかに曇っていることがわかりました。これは、彼らの昼間全体の気候が地球の熱帯に似ているため、水蒸気が低圧に容易に上昇し、そこで凝縮して、惑星の昼間を覆う雲を形成する可能性があるためです...
「PSGは、不確実性とともに、波長の関数として透過する惑星の見かけのサイズの結果を示しました。信号のサイズが波長とともにどのように変化するかを見ることで、水蒸気の特徴のサイズを特定し、それらを不確実性レベルと比較することができました。」
これらの2つのモデル間で、チームは雲量の有無にかかわらず惑星をシミュレーションでき、結果としてJWSTが何を検出できるかを示しました。前者の場合、彼らは、太陽系外惑星の大気中の水蒸気がほぼ確実に検出可能であることを見出した。彼らはまた、これは地球サイズの太陽系外惑星に対してたった10回のトランジットで行うことができることを発見しました。
「雲の影響を含めた場合、JWSTが水蒸気を検出するために監視する必要がある通過回数は、10倍から100倍に増加しました」とKomacek氏は述べています。 「JWSTの公称ミッション寿命は5年に設定されており、惑星が私たちとそのホスト星の間を通過するときにのみ透過観測を行うことができるため、JWSTが特定の惑星について観測できるトランジットの数には自然な制限があります。」
彼らはまた、雲のカバーの影響が赤い小惑星の周りの回転の遅い惑星で特に強いことを発見しました。基本的に、軌道周期が約12日を超える惑星は、その側でより多くの雲が形成されます。 「われわれは、トラピスト-1（既知の最も好ましいターゲット）のような星を周回する惑星の場合、JWSTが水蒸気を検出するのに十分な通過を観測できないことを発見した」とKomacekは述べた。
これらの結果は他の研究者が指摘したものと同様であると彼は付け加えた。昨年、NASAゴダードの研究者が率いる調査では、雲の覆いがTRAPPIST-1惑星の大気中で水蒸気を検出不可能にする方法が示されました。今月初め、NASAのGoddardがサポートする別の調査では、JWSTが水蒸気をバックグラウンドノイズとして除去するまでに、雲が水蒸気の振幅をどのように低下させるかが示されました。
しかし、それがすべて悪いニュースであると考える前に、この調査では、これらの制限を克服する方法についていくつかの提案を示しています。たとえば、ミッション時間が重要な要素である場合、JWSTミッションを延長して、科学者がデータを収集する時間を増やすことができます。 NASAはすでに10年間宇宙望遠鏡を運用したいと考えているため、ミッションの拡張はすでに可能です。
同時に、検出用のS / N比のしきい値を下げると、スペクトルからより多くの信号を取り出すことができます（これは、誤検知が増えることも意味します）。さらに、Komacekと彼の同僚は、これらの結果は太陽系外惑星のクラウドデッキの下にある機能にのみ適用されることを指摘しているはずです。
「水蒸気は主に水雲のレベルより下に閉じ込められるため、赤い矮星を周回する惑星の強い雲の範囲は、水の特徴を検出することを信じられないほど難しくしています。重要なのは、JWSTが二酸化炭素やメタンなどの主要な大気成分の存在を、わずか12回のトランジットで制限できることです。」
もう一度、これらの結果は以前の研究によってサポートされています。昨年、ワシントン大学の調査でTRAPPIST-1惑星の検出可能性と特性を調査し、雲が酸素とオゾンの特徴の検出可能性に大きな影響を与える可能性は低いことを発見しました-に関連する2つの主要なバイオシグネチャ生命の存在。
したがって、実際には、JWSTは、少なくとも高密度の雲量が関係している場所では、太陽系外惑星の大気中の水蒸気を検出するのが困難なだけかもしれません。他のバイオシグネチャの場合、JWSTは、雲または雲なしでそれらを盗聴するのに問題はないはずです。 NASAでこれまでに最も強力で洗練された宇宙望遠鏡であるWebbから、すばらしいことが期待されています。そしてそれはすべて来年始まります！
