Данные Джеймса Уэбба "слишком точны": для их интерпретации необходимы новые модели

Команда исследователей из Массачусетского технологического института провела новое исследование точности данных Уэбба. Она будет настолько высокой, что нынешние модели, используемые астрономами, не будут достаточными для интерпретации наблюдений телескопа.

Помимо того, что космический телескоп "Джеймс Уэбб" раскрывает Вселенную с беспрецедентной четкостью, он наблюдает дальше, чем когда-либо прежде. Его сверхчеткое инфракрасное видение может пробиться сквозь космическую пыль и осветить некоторые из самых ранних структур Вселенной.

Однако новое исследование Массачусетского технологического института (MIT) предполагает, что инструментов, обычно используемых астрономами для декодирования световых сигналов, может быть недостаточно для точной интерпретации данных нового телескопа. В частности, модели непрозрачности (которые моделируют, как свет взаимодействует с материей) могут потребовать значительной тонкой настройки, чтобы соответствовать точности данных Уэбба.

Если эти модели не будут усовершенствованы, они не будут соответствовать точности и качеству данных, поступающих с Уэбба. Это означает, что все исследования, основанные на сокращении необработанных данных, могут привести к недостоверным результатам. Например, свойства планетарных атмосфер, такие как температура, давление и элементный состав, могут быть неверными на порядок.

Свет и материя: модели непрозрачности

Непрозрачность - это мера легкости прохождения фотонов света через материал. При определенных длинах волн фотоны могут проходить непосредственно через вещество и поглощаться или отражаться в зависимости от того, как (и если) они взаимодействуют с определенными молекулами в материале. Это взаимодействие также зависит от температуры и давления самого материала.

Модель непрозрачности - это инструмент, который работает на основе различных предположений о том, как свет взаимодействует с веществом. Астрономы используют модели непрозрачности, чтобы вывести определенные свойства материала, известные как спектр света, который излучает материал. В контексте экзопланет, например, модель непрозрачности может расшифровать тип и обилие химических веществ в атмосфере планеты на основе излучения планеты, захваченного телескопом.

Де Вит говорит, что текущая модель непрозрачности проделала довольно хорошую работу по расшифровке спектральных данных, полученных такими приборами, как космический телескоп Хаббл. Однако настоящая проблема заключается в том, что Хаббл наблюдал в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. С другой стороны, "Уэбб" сделал еще один шаг вперед: помимо того, что он чрезвычайно точен, он выходит за пределы пыли, так что часть непрозрачности, которую считают модели, он превосходит просто за счет наблюдения. Как же перевести его данные?

Модификация моделей для понимания данных Уэбба

В исследовании Де Вит и его коллег была протестирована наиболее часто используемая модель непрозрачности. Затем они попытались понять, каких атмосферных свойств достигнет модель, если ее модифицировать с учетом определенных ограничений в нашем понимании взаимодействия света и материи. Исследователи создали восемь "возмущенных" моделей. Затем они снабдили каждую модель, включая реальную версию, синтетическими спектрами - образцами света, смоделированными командой и схожими с точностью, с которой телескоп Джеймса Уэбба мог бы видеть.

На следующем изображении показано сравнение синтетических спектров пропускания горячей планеты Юпитера для комбинированного широкополосного наблюдения NIRSpec (Near InfraRed Spectrometer) и MIRI (Mid-InfraRed Instrument) Уэбба для различных моделей непрозрачности, использованных в данном анализе. Ниже наблюдаются неслучайные различия с амплитудой от 20 до 150 ppm (частей на миллион) по сравнению с невозмущенной моделью.

При этом ученые обнаружили, что, основываясь на одних и тех же спектрах света, каждая возмущенная модель дает совершенно разные предсказания о свойствах атмосферы планеты. Команда пришла к выводу, что если применить существующие модели непрозрачности к спектрам света, обнаруженным "Уэббом", то они не будут достаточно чувствительными, чтобы определить, имеет ли планета температуру атмосферы 300 К (Кельвин) или 600 К, или занимает ли определенный газ 5% или 25% атмосферного слоя. Это очень существенная разница, важная для того, чтобы иметь возможность ограничить механизмы формирования планет и надежно определить возможные биологические особенности.

При этом ученые обнаружили, что, основываясь на одних и тех же спектрах света, каждая возмущенная модель дает совершенно разные предсказания о свойствах атмосферы планеты. Команда пришла к выводу, что если применить существующие модели непрозрачности к спектрам света, обнаруженным "Уэббом", то они не будут достаточно чувствительными, чтобы определить, имеет ли планета температуру атмосферы 300 К (Кельвин) или 600 К, или занимает ли определенный газ 5% или 25% атмосферного слоя. Это очень существенная разница, важная для того, чтобы иметь возможность ограничить механизмы формирования планет и надежно определить возможные биологические особенности.

Неправильные модели или неточные результаты?

Результаты моделирования показали, что каждая модель дала "хорошую подгонку" к данным, что означает, что даже если возмущенная модель дала неправильный химический состав, она также дала спектр света этого химического состава, который был весьма похож на исходный спектр. Это сбивает с толку: если ошибочная модель все еще адаптируется к новым требованиям, продиктованным Уэббом, то это модели оказываются несовершенными, или это то, что они говорят, оказывается неточным? Вот что предстоит понять Де Виту, его коллегам и другим экспертам в этой области.

На данный момент исследователи выдвигают несколько идей о том, как улучшить существующие модели непрозрачности. Однако необходимы дальнейшие лабораторные измерения и теоретические расчеты для уточнения предположений моделей о том, как свет взаимодействует с различными молекулами. Если мы думаем, что знаем достаточно об условиях на Земле, мы должны принять во внимание, что при переходе к различным типам атмосфер все меняется.