Οι επιστήμονες δεν χρειάζεται να ταξιδέψουν έτη φωτός μακριά για να χαρτογραφήσουν τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών, χάρη στην έρευνα που γίνεται στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Paul M. Rady με επιστήμονες στο Εργαστήριο Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Ο Ryan Cole (Ph.D.MechEngr’21) έχει αναπτύξει ένα πείραμα που αναδημιουργεί το πραγματικό κλίμα των πλανητών πέρα ​​από το ηλιακό μας σύστημα μέσα σε ένα όργανο 2.000 λιβρών στο εργαστήριο του καθηγητή Greg Rieker στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου του Κολοράντο Boulder. Φτάνοντας στις ίδιες συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης που υπάρχουν σε πολλούς εξωπλανήτες, το όργανο μπορεί να χαρτογραφήσει τα αέρια στην ατμόσφαιρά τους, κάτι που μια μέρα θα μπορούσε να βοηθήσει την ανθρωπότητα να βρει ζωή σε άλλους πλανήτες.

«Αν κοιτούσαμε την ατμόσφαιρα της Γης, θα ξέραμε ότι η ζωή είναι εδώ γιατί βλέπουμε μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα, όλους αυτούς τους διαφορετικούς δείκτες που λένε ότι κάτι ζει εδώ», είπε ο Rieker. “Μπορούμε να δούμε και τις χημικές υπογραφές των εξωπλανητών. Εάν δούμε τον σωστό συνδυασμό αερίων, θα μπορούσε να είναι ένδειξη ότι κάτι είναι ζωντανό εκεί.”

Το έργο του Rieker και του Cole μπορεί να συμβάλει στη φασματοσκοπία διέλευσης εξωπλανητών – μια ερευνητική μέθοδο για την παρατήρηση της σύνθεσης της ατμόσφαιρας ενός εξωπλανήτη. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ένα τηλεσκόπιο για να δουν το φως που περνά μέσα από αυτό. Καθώς το φως αλληλεπιδρά με τα αέρια στην ατμόσφαιρα, αυτά τα αέρια απορροφούν τα φωτόνια καθώς κινούνται.

«Οι επιστήμονες χρειάζονται έναν χάρτη για το πώς να ερμηνεύσουμε τι μας λέει το φως όταν φτάνει εδώ», είπε ο Rieker. “Εκεί έρχεται το πείραμα του Ράιαν. Καθώς δημιουργούμε αυτόν τον μικρό μικρόκοσμο της ατμόσφαιρας αυτού του εξωπλανήτη στο εργαστήριό μας, στέλνουμε το δικό μας χαρακτηριστικό φως με λέιζερ και μελετάμε τα φωτόνια που βγαίνουν. Μπορούμε να μετρήσουμε τις αλλαγές και να χαρτογραφήσουμε πώς το φως απορροφάται».

Σε συνεργασία με επιστήμονες στο JPL, το πείραμα των Cole και Rieker συνδυάζει μετρήσεις αισθητήρων με υπολογιστικά μοντέλα για να βοηθήσει στην ανίχνευση των διαφορετικών αερίων σε εξωπλανήτες. Ενώ ο Cole κατασκεύασε το όργανο που αναπαράγει το κλίμα των εξωπλανητών και μετρά τον τρόπο με τον οποίο απορροφάται το φως σε αυτές τις εξωτικές συνθήκες, το εργαστήριο του αναπληρωτή διευθυντή τμήματος της JPL, Brian Drouin, παρείχε το εργαλείο που ερμηνεύει τις μετρήσεις.

Η έρευνά τους θα μπορούσε να βελτιστοποιήσει τηλεσκόπια όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο από τα μέσα Δεκεμβρίου πρόκειται να εκτοξευτεί στις 24 Δεκεμβρίου από την τοποθεσία της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας στη Γαλλική Γουιάνα.

«Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb και άλλα όπως το Hubble κοιτάζουν τον απόλυτο ορίζοντα του τι μπορούν να δουν οι άνθρωποι», είπε ο Cole. “Ο Γκρεγκ και εγώ προσπαθούμε να κάνουμε τα οράματά τους λίγο πιο ξεκάθαρα. Οι εργαστηριακές μας μετρήσεις μπορούν να βοηθήσουν στην ερμηνεία των παρατηρήσεων των τηλεσκοπίων για μακρινές πλανητικές ατμόσφαιρες.”

Υπάρχουν ατελείωτες εκτάσεις του σύμπαντος που μπορούν να εξερευνήσουν αυτά τα τηλεσκόπια—περισσότεροι από 4.800 επιβεβαιωμένοι εξωπλανήτες και περίπου 7.900 περισσότεροι που η NASA λέει ότι μπορεί να είναι πλανήτες. Με το πείραμα του Rieker και του Cole να λαμβάνεται υπόψη στην αποστολή, η κατανόησή μας για τους εξωπλανήτες και τα αέρια στην ατμόσφαιρά τους μπορεί να βελτιωθεί – και ως εκ τούτου, προωθεί επίσης την αναζήτηση εξωγήινης ζωής.

Πώς λειτουργεί το όργανο

“Δεν υπάρχουν πραγματικά πολλά συστήματα εκεί έξω που μπορούν να φτάσουν τις συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής πίεσης που φτάνουμε”, είπε ο Cole. “Όχι μόνο πρέπει να φτάσουμε σε αυτές τις συνθήκες, χρειαζόμαστε επίσης τη θερμοκρασία και την πίεση να είναι εξαιρετικά ομοιόμορφες και γνωστές. Η επίτευξη αυτών των κριτηρίων είναι μία από τις πιο μοναδικές πτυχές του πειράματός μας.”

Το μέγεθος και το εύρος του οργάνου που ανέπτυξε ο Cole είναι αυτό που τους επιτρέπει να φτάσουν τις υψηλές θερμοκρασίες και τις υψηλές πιέσεις που παρατηρούνται στους εξωπλανήτες. Το πείραμα μέσα στο κομμάτι του εξοπλισμού μπορεί να φτάσει έως και 1.000 βαθμούς Κέλβιν, που είναι περίπου 1.340 βαθμούς Φαρενάιτ.

Το όργανο των 2.000 λιβρών έχει επίσης χοντρά χαλύβδινα τοιχώματα που έχουν σχεδιαστεί για να φτάνουν τις 100 ατμόσφαιρες. Για να το θέσουμε αυτό στο πλαίσιο, η μέση πίεση της Γης στο επίπεδο της θάλασσας είναι μία ατμόσφαιρα.

Ξεκινώντας το 2016, όταν μπήκε στο εργαστήριο του Rieker, ο Cole χρειάστηκε να δουλέψει σε περίπου πέντε επαναλήψεις της κυψέλης υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής πίεσης προτού το κάνει σωστά.

«Ο Ράιαν είναι ο πρώτος που το έκανε», είπε ο Ρίκερ. “Έχει δημιουργήσει σύνολα δεδομένων που είναι πραγματικά κοντά στο τέλειο.”

Μόλις επιτευχθούν οι συνθήκες μέσα στο όργανο του Κόουλ, η ομάδα στέλνει φως μέσω του πειράματος από λέιζερ χτενίσματος συχνότητας, μια τεχνολογία που αποτέλεσε τη βάση της βραβευμένης με Νόμπελ έρευνας στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Μπόλντερ και στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. Το λέιζερ έχει εκατοντάδες χιλιάδες μήκη κύματος φωτός που έχουν πολύ καλή συμπεριφορά, καθιστώντας το ιδανικό εργαλείο για τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης.

«Περνάμε το λέιζερ μέσα από αυτό το περιβάλλον και κάνοντας αυτό, καταγράφουμε πώς το φως του λέιζερ αλληλεπιδρά με το αέριο που έχουμε περιορίσει στον πυρήνα αυτού του μοναδικού πειράματος», είπε ο Κόουλ. «Μετράμε πώς το φως έχει απορροφηθεί σε διαφορετικές συχνότητες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ερμηνεία των παρατηρήσεων πραγματικών εξωπλανητών ατμοσφαιρών».

Στη συνέχεια, αυτές οι μετρήσεις περνούν από το εργαλείο ερμηνείας της JPL. Αυτό το υπολογιστικό μοντέλο εξάγει τις θεμελιώδεις κβαντικές παραμέτρους που επιτρέπουν στην ομάδα να χαρτογραφήσει πώς τα μόρια αερίου της ατμόσφαιρας θα αλληλεπιδράσουν με το φως σε οποιαδήποτε συνθήκη.

Ο Rieker συνέκρινε τη σχέση μεταξύ των μετρήσεων που επιτυγχάνουν και των παραμέτρων που παρέχει η JPL σε ένα JPEG, την τυπική μορφή για δεδομένα εικόνας. Ενώ βλέπουμε τη φωτογραφία, τα δεδομένα JPEG είναι ο κώδικας ή το σύνολο οδηγιών για την εικόνα.

Σε αυτή την περίπτωση, ο εξοπλισμός στο εργαστήριο του Rieker παρέχει τη φωτογραφία—τις συνθήκες εξωπλανήτη και το φως που διέρχεται από την ατμόσφαιρά του. Το εργαλείο JPL παρέχει τον κώδικα JPEG—τα δεδομένα που περιγράφουν πώς το φως αλληλεπιδρά με τα αέρια στην ατμόσφαιρα.

Εφαρμογές βιωσιμότητας στη Γη

Το έργο του Rieker δεν ξεκίνησε με στόχο τη χαρτογράφηση της ατμόσφαιρας των εξωπλανητών. Ο αρχικός στόχος ήταν να κατανοήσουμε την καύση μέσα σε έναν πύραυλο ή κινητήρας αεροσκάφους. Είχε βάλει σκοπό να χαρτογραφήσει τις εκπομπές που προέρχονται από αυτούς τους κινητήρες, οι οποίοι μπορούν να βοηθήσουν την κοινωνία να βρει πιο αποτελεσματικούς τρόπους καύσης καυσίμων.

«Νομίζω ότι είναι ενδιαφέρον το ότι μπορείς να συνδέσεις τις εφαρμογές του οργάνου από έναν κινητήρα τζετ στο Διεθνές Αεροδρόμιο του Ντένβερ με την ατμόσφαιρα ενός μακρινού εξωπλανήτη μακριά από τη Γη», είπε ο Κόουλ.

Το εύρος της λειτουργίας της τεχνολογίας εξακολουθεί να επιτρέπει στην ομάδα να μιμείται το εσωτερικό ενός κινητήρα τζετ και να χαρτογραφεί τα αέρια που εκπέμπονται, αλλά κατά την κατασκευή του εξοπλισμού, ο Cole αναγνώρισε ότι οι συνθήκες μέσα στον προσομοιωμένο κινητήρα ήταν πολύ παρόμοιες με τις συνθήκες στην επιφάνεια της Αφροδίτης — υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση.

«Η Αφροδίτη είναι ένας πραγματικά ενδιαφέρον πλανήτης γιατί από φυσική άποψη, η Αφροδίτη και η Γη μοιάζουν πολύ σε μέγεθος και πυκνότητα», είπε ο Κόουλ. “Υπάρχει μια συνεχής ερώτηση στην κοινότητα της πλανητικής επιστήμης που λέει ότι μπορείτε να κάνετε μια ενδιαφέρουσα σύγκριση μεταξύ της Αφροδίτης και της Γης. Μας δίνει η Αφροδίτη άλλο σημείο δεδομένων για το πώς εξελίσσονται πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη;”

Η Αφροδίτη έχει μια ατμόσφαιρα που είναι σχεδόν 860 βαθμούς Φαρενάιτ και είναι 95 φορές η πίεση της ατμόσφαιρας της Γης. Ο πλανήτης είναι εντελώς αφιλόξενος, σε μεγάλο βαθμό λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου που προκαλείται από την υψηλή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Το ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου παγιδεύει τη θερμότητα στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης, οδηγώντας σε εξαιρετικά υψηλές επιφανειακές θερμοκρασίες.

Ενώ η ατμόσφαιρα της Γης δεν είναι κοντά στα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα που βρίσκονται στην Αφροδίτη, οι μελέτες της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης θα μπορούσαν να προωθήσουν την έρευνα για την κλιματική αλλαγή.

«Ο εξοπλισμός μας μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την Αφροδίτη και την εξέλιξη των ατμοσφαιρών που επιβαρύνονται όλο και περισσότερο με διοξείδιο του άνθρακα», είπε ο Κόουλ. «Το πείραμα μπορεί να βοηθήσει στην κατανόησή μας για τις ατμόσφαιρες πλανητών που μοιάζουν με τη Γη με μέγεθος δείγματος δύο πλανητών, αντί για έναν μόνο».

Από το εσωτερικό μιας μηχανής μέχρι την επιφάνεια της Αφροδίτης και των μακρινών εξωπλανητών, ο θεμελιώδης στόχος της δουλειάς του Rieker και του Cole είναι να κατανοήσουν πώς το φως αλληλεπιδρά με τα μόρια αερίου. Ωστόσο, ανεξάρτητα από το εύρος, οι εφαρμογές της έρευνας του Rieker και του Cole έχουν όλες το ίδιο θέμα – την προώθηση της ζωής. Μια μέρα σύντομα, αυτό μπορεί να περιλαμβάνει ζωή αλλού, όχι μόνο στη Γη.