Până în prezent, oamenii de ştiinţă au confirmat existenţa a mai mult de 900 de exoplanete, planete aflate în afara sistemului nostru solar. Pentru a determina dacă vreuna din aceste lumi îndepărtate este locuibilă se impune cunoaşterea masei exoplanetei - ceea ce va ajuta cercetătorii să spună dacă planeta este alcătuită din gaz sau rocă şi alte materiale ce pot susţine viaţa.

 

 

 

 


Reprezentare de artistic a spectrului de transmisie al unei planete
imagine: Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit


Dar tehnicile curente pentru estimarea maselor exoplanetare sunt limitate. Viteza radială este principala metodă folosită de oamenii de ştiinţă: clătinări uşoare ale orbitei unei stele datorită atracţiei jur-împrejur a forţei gravitaţionale a planetei, din care cercetătorii pot deduce raportul masei planetei la cea a stelei. Pentru planete foarte mari, comparabile cu Neptun, sau pentru cele mai mici de dimensiunile Pământului, orbitând foarte aproape de stele fierbinţi, metoda vitezei radiale funcţionează destul de bine. Dar această tehnică este mai puţin potrivită pentru planete mai mici care orbitează mai departe de stelele lor, aşa cum face Pământul.

Acum cercetătorii de la MIT au dezvoltat o nouă tehnică pentru determinarea masei exoplanetelor, folosind numai semnalul lor de tranziţie - scăderi ale luminii stelei în intervalul în care planeta trece prin faţa ei. Aceste date au fost folosite în mod obişnuit pentru a determina mărimea unei planete şi proprietăţile atmosferei acesteia, dar echipa de la MIT a găsit o metodă de a o interpreta, astfel încât ea să dezvăluie masa planetei.

"Cu această metodă ne-am data seama că masa planetară - un parametru cheie, care dacă ar lipsi, ne-ar împiedica să evaluăm, în deceniul următor, habitabilitatea primelor planete potenţial locuibile de mărimea Pământului - va fi în fond accesibilă, împreună cu proprietăţile atmosferei", spune Julien de Wit, un absolvent ce lucrează la Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences de la MIT.

De Wit este principalul autor al unui articol publicat astăzi în revista Science, având coautor pe Sara Seager, profesoară de fizică şi ştiinţe planetare, promoţia 1941.

 

 

Estimarea masei din lumină

Pe lângă compoziţia unei planete, masa ei ne poate furniza şi o privire asupra suprafeţei planetei şi a activităţii ei interne. "Masa influenţează orice la nivel planetar, ca de exemplu tectonica plăcilor, răcirea internă şi convecţia, cum se generează câmpul magnetic şi dacă gazele scapă din atmosferă", spune de Wit. "Dacă nu o putem afla, o mare parte a proprietăţilor planetei rămân nedeterminate".

Utilizând marile telescoape spaţiale ale NASA ca Spitzer sau Hubble, oamenii de ştiinţă au putut analiza spectrele de transmisie ale nou descoperitelor exoplanete. Un spectru de transmisie se formează atunci când o planetă trece prin faţa stelei ei, lăsând să treacă o parte din lumină prin atmosferă. Analizând lungimile de undă ale acestei lumini, cercetătorii pot determina proprietăţile atmosferice, ca de exemplu, temperatura şi densitatea moleculelor din atmosferă. Din totalul luminii ce a fost blocată, ei pot calcula mărimea unei planete.

Pentru a determina masa unei exoplanete folosind spectroscopia de transmisie, de Wit s-a bazat pe efectul pe care masa unei planete îl are asupra atmosferei sale, deoarece spectrele de transmisie dau informaţii despre proprietăţile atmosferei planetei. Pentru a face asta, el a pornit de la o ecuaţie standard care descrie efectele temperaturii planetei, ale forţei gravitaţionale şi ale densităţii atmosferice asupra profilului presiunii atmosferice - nivelul până la care presiunea se schimbă în întregul atmosferei.

Conform acestei ecuaţii, cunoaşterea oricăror trei din aceşti parametri permite aflarea celui de al patrulea. Cum masa planetei poate fi aflată din atracţia ei gravitaţională, de Wit a concluzionat că masa unei planete poate fi aflată din temperatura atmosferei, profilul presiunii atmosferice şi densitatea atmosferei - parametrii care, în principiu, pot fi obţinuţi din spectrul de transmisie.

Dar pentru a obţine o măsurătoare precisă a masei unei planete, de Wit a trebuit să dovedească cum că aceşti trei parametri pot fi obţinuţi unul independent de altul, numai din spectrul de transmisie.

Aflarea masei unei planete


Pentru a demonstra că temperatura, profilul presiunii şi densitatea atmosferei pot fi aflate independent dintr-un spectru de transmisie, de Wit trebuia să demonstreze că fiecare dintre parametri are un efect distinct asupra spectrului de transmisie. De Wit a efectuat noi derivaţii analitice din primul principiu al transferului prin radiaţie şi a descoperit că o constantă matematică din secolul XVIII, numită constanta Euler-Mascheroni, ajută la aflarea efectelor individuale ale fiecărui parametru. Cu alte cuvinte, constanta acţionează ca un "cifru" pentru a decodifica procesul prin care proprietăţile atmosferei unei planete sunt întipărite într-un spectru de transmisie.

"Chiar te ajută să deblochezi totul si să afli din aceste ecuaţii trăznite, care proprietăţi atmosferice, ce şi cum fac", spune de Wit. "Găseşti această constantă într-o mulţime de probleme din fizică şi este chiar nostim să o vezi reapărând şi în ştiinţele planetare".

Pentru a verifica metoda, de Wit a aplicat tehnica pe o planetă descoperită recent, cunoscută ca 189733b, care se află la 63 ani-lumină depărtare. Din calculele lui, de Wit a obţinut aceeaşi valoare a masei ca şi cea obţinută de alţii folosind viteza radială.

Folosind specificaţiile viitoarelor telescoape spaţiale de înaltă rezoluţie, ca de exemplu James Webb Space Telescope - un instrument conceput pentru a studia atmosferele exoplanetare - autorii au arătat că noua tehnică va fi capabilă să caracterizeze masa şi proprietăţile  atmosferice ale planetelor mai mici, de dimensiunile Pământului.

Mark Swain, cercetător la Jet Propulsion Laboratory de la NASA, spune că noua tehnică a grupului va fi foarte folositoare în determinarea compoziţiei şi în final a habitabilităţii
planetelor asemănătoare Pământului.

"Cunoaşterea masei este o piesă foarte importantă a puzzle-ului", spune Swain, care nu a fost implicat în cercetare. "Dacă ai aflat că compoziţia planetei este aproape sigur solidă, asta a necesitat o cantitate semnificativă de apă amestecată cu un miez de silicat şi ştii că a avut temperaturi caracteristice zonelor locuibile, şi asta ar putea constitui un bun argument pentru un studiu în amănunţime al acelei lumi, deoarece ea are ceea ce par a fi ingredientele unei lumi locuibile".

Traducere de Marian Stănică după new-technique-measures-mass-of-exoplanets

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.