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Gestern entdeckte die K2-Mission Transitereignisse von Objekten, die vor einer Reihe von M-Zwergen vorbeizogen, die sich als Gesteinsplaneten herausstellen könnten. Wenn einige dieser Planeten Atmosphären beherbergen, könnte das JWST dann IR-Absorptionslinien von Molekülen in diesen Atmosphären nachweisen?
Welche Grenzentfernung wäre für diese Sterne zu erwarten, um solche Messungen durch das JWST zu ermöglichen?
Laut diesem Artikel soll das TRAPPIST-1-System vom JWST mit dem Potenzial untersucht werden, die Zusammensetzung der Atmosphäre im Infrarotband zu erkennen. Also sollten endlich 40 ly (ca. 12 Stk.) funktionieren. An anderer Stelle habe ich gelesen, dass man davon ausgeht, erdähnliche exoplanetare Atmosphären in einer Entfernung von 10-20 pc zu untersuchen. Aber es könnte besser sein, es aus einem anderen Blickwinkel zu sehen: Die wahre Grenze liegt in der erzeugten Lichtenergie / -intensität, nicht in der Entfernung selbst. Siehe zum Beispiel einen Artikel über Exoplaneten-Transit-Spektroskopie.
Astronomen schlagen eine neue Methode vor, um Atmosphären auf felsigen Welten zu finden
Gesteinsplaneten, die rote Zwergsterne umkreisen, sind attraktive Ziele für Astronomen, da sie sowohl häufig als auch leichter zu untersuchen sind als andere Planetenarten. Eine seit langem bestehende Frage ist, ob solche Planeten Atmosphären beherbergen können, da sie einer rauen Umgebung von Sterneruptionen und Teilchenwinden ausgesetzt sind.
Ein Team von Astronomen berechnet, dass das kommende James-Webb-Weltraumteleskop der NASA in nur wenigen Stunden Beobachtungszeit möglicherweise Anzeichen einer Atmosphäre erkennen könnte. Da das Vorhandensein einer Atmosphäre die beobachtete Temperatur der Tagseite des Planeten im Vergleich zu nacktem Gestein senken würde, hätte eine Welt mit einer Atmosphäre eine deutliche Wärmesignatur.
Obwohl die Technik am besten für Planeten funktioniert, die zu heiß sind, um sich in der bewohnbaren Zone zu befinden, könnte sie wichtige Auswirkungen auf Welten in der bewohnbaren Zone haben. Wenn Astronomen feststellen, dass heiße Gesteinsplaneten eine Atmosphäre bewahren können, dann sollten es auch kühlere Planeten können.
Illustration eines bewölkten Exoplaneten
Wie das James Webb Space Telescope Sauerstoff in fremden Atmosphären sehen wird
Während Astronomen die Atmosphären von Planeten untersuchen, die andere Sterne umkreisen, könnte eine neue Methode zum Nachweis von Sauerstoff, die an der University of California Riverside entwickelt wurde, Beweise für Welten liefern, die möglicherweise Leben beherbergen.
Astronomen kennen derzeit mehr als 4.000 Exoplaneten, die andere Sterne als unsere eigene Sonne umkreisen. Viele von ihnen befinden sich in der bewohnbaren Zone – oder Goldlöckchen – um ihre Elternsterne herum, wo die Temperaturen weder zu warm noch zu kalt sind, damit sich Wasser auf ihrer Oberfläche ansammeln und möglicherweise Flüsse, Seen und Ozeane bilden kann. Allerdings hat noch niemand eine Welt gefunden, in der das Leben Einzug gehalten hat.
Hier auf der Erde hat die Anwesenheit von Lebensformen unsere Atmosphäre mit enormen Sauerstoffkonzentrationen gefüllt – etwa 20 Prozent – weit mehr, als unser Planet ohne Leben besitzen würde. Dieser Sauerstoff ist das Ergebnis der Photosynthese, die von Algen, Pflanzen und Cyanobakterien durchgeführt wird.
Aus diesem Grund hoffen einige Astronomen, dass abnormale Sauerstoffwerte als verräterisches Zeichen für Leben – sogar primitives Leben – auf anderen Welten wirken könnten. Forscher der UC Riverside glauben, mit dem kommenden James Webb Space Telescope eine neue Technik entwickelt zu haben, mit der Anzeichen von miteinander kollidierenden Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre entfernter Welten erkannt werden können.
„Vor unserer Arbeit dachte man, dass Sauerstoff in ähnlichen Konzentrationen wie auf der Erde mit Webb nicht nachweisbar ist. Dieses Sauerstoffsignal ist seit den frühen 1980er Jahren aus atmosphärischen Studien der Erde bekannt, wurde aber nie für die Exoplanetenforschung untersucht“, sagte Thomas Fauchez vom Goddard Space Flight Center der NASA.
Gesucht: Lebendig oder tot
Wenn Sauerstoffmoleküle kollidieren, blockieren sie einen Prozentsatz des Infrarotlichts, das normalerweise von Teleskopen aufgezeichnet würde. Die Untersuchung der in den Daten aufgezeichneten Muster kann die chemische Zusammensetzung der außerirdischen Atmosphäre bestimmen.
Forscher der NASA und der UC Riverside arbeiteten zusammen und berechneten die Menge dieses Infrarotlichts, die durch Kollisionen blockiert würde.
Eine Herausforderung (und Chance) dieser Studie besteht darin, dass Leben nicht die einzige Quelle für atmosphärischen Sauerstoff ist. Viele chemische Reaktionen produzieren auch Sauerstoff als Nebenprodukt. Unter bestimmten Bedingungen kann sich dieses Gas ansammeln und den Anschein erwecken, dass Leben existieren könnte, selbst wenn die Welt kein Leben mehr hat.
Das neue Detektionsverfahren ist in der Lage, Sauerstoff in der Atmosphäre von Exoplaneten zu finden, unabhängig davon, ob es Leben auf der Welt gibt oder ob das Gas durch chemische oder geologische Prozesse entsteht.
Wasserwelten, die ihrer Sonne zu nahe kommen oder Wärme durch einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt aufbauen (wie auf der Venus), können ihre Ozeane an den Weltraum verlieren. Dabei werden die Wassermoleküle durch Strahlung in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff, das leichteste aller Elemente, entweicht schnell in den Weltraum und hinterlässt Sauerstoff. Dieses Gas kann sich ansammeln und die Illusion erzeugen, dass Lebensformen den Planeten bevölkern könnten.
„Sauerstoff ist aufgrund seiner Verbindung mit Leben eines der aufregendsten Moleküle, die es zu entdecken gilt, aber wir wissen nicht, ob Leben die einzige Ursache für Sauerstoff in einer Atmosphäre ist. Diese Technik wird es uns ermöglichen, sowohl in lebenden als auch in toten Planeten Sauerstoff zu finden.“ Edward Schwieterman, ein Astrobiologe an der UC Riverside, erklärte.
Andere Techniken werden benötigt, um die Daten zu durchforsten und nach Welten zu suchen, in denen das Gas das Ergebnis von Leben oder chemischen und geologischen Ursachen ist.
Das James-Webb-Weltraumteleskop, das im März 2021 starten soll, wird die erste Raumsonde sein, die in der Lage ist, die Atmosphären von Exoplaneten im Detail zu untersuchen. Es wird erwartet, dass das von der NASA entworfene Raumfahrzeug während seiner Betriebszeit Tausende neuer außerirdischer Welten entdeckt.
Diese neuartige Methode, um Sauerstoff in der Atmosphäre entfernter Welten zu finden, wurde in der Zeitschrift vorgestellt Naturastronomie.
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Ins Universum
Über alle General Observer-Programme hinweg ging der größte Preis an Jeyhan Kartaltepe vom Rochester Institute of Technology und Caitlin Casey von der University of Texas in Austin mit 208,6 Stunden für ihren COSMOS-Webb-Vorschlag. Kartaltepe, Casey und Kollegen wollen Tausende der frühesten Galaxien des Universums untersuchen, die alle innerhalb einer Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Diese Galaxien sind so lichtschwach, dass sie, abgesehen von einer Handvoll Beobachtungen von Hubble, bisher außerhalb der Grenzen der Untersuchung durch die Teleskope der Menschheit lagen. &bdquoEs&rsquo ist wirklich unvergleichlich&rdquo Kartaltepe. &ldquoHubble hat sich verkleinert, aber es ist wirklich durch seine Größe und Empfindlichkeit begrenzt. Webb wird wirklich aufräumen und viel schwächere Dinge entdecken.&rdquo
Dies könnte uns helfen, einen wichtigen Teil der Geschichte des Universums zu verstehen, die als Epoche der Reionisation bekannt ist, eine Periode von 400.000 bis zu einer Milliarde Jahre nach dem Urknall, in dem die ersten Sterne und Galaxien entstanden. &bdquoWir glauben, dass die Reionisierung überall gleichzeitig stattfand&rdquo Kartaltepe. &bdquoEs geschah in Taschen oder Blasen. Diese Blasen sind an die ursprüngliche großräumige Struktur des Universums gebunden. Wir hoffen, diese Struktur abbilden zu können.&rdquo
An anderer Stelle erhielten Natasha Batalha vom Ames Research Center der NASA und Johanna Teske von der Carnegie Institution for Science die drittgrößte Zeitzuweisung und das größte Exoplanetenprogramm für ihren Vorschlag, die Atmosphären von einem Dutzend Exoplaneten auf eine noch nie dagewesene Weise zu untersuchen. Über 141,7 Stunden Beobachtungszeit wird das Projekt den riesigen Spiegel des JWST verwenden, um diese Welten beim Durchgang durch ihre Wirtssterne zu beobachten und das Sternenlicht zu blockieren, wenn sie vor ihnen vorbeiziehen, sodass die Forscher die grundlegende Zusammensetzung und Struktur der vorhandenen Atmosphären herausfinden können.
Die Welten, die Batalha, Teske und ihre Kollegen beobachten werden, zwischen dem Ein- und Dreifachen der Erde, gelten als faszinierende Supererden und Sub-Neptune, Planetenklassen, die unser Verständnis von JWST verändern könnten. &bdquoUm zu einem Punkt zu gelangen, an dem wir nach Biosignaturen in echten potenziell erdähnlichen bewohnbaren Planeten suchen, müssen wir wirklich die gesamte Vielfalt der bisher entdeckten Planeten verstehen&ldquo, sagt Batalha. &bdquoDiese volle Vielfalt umfasst diese seltsamen Supererden [und] Sub-Neptune, die als einer der häufigsten Planetentypen in der Galaxie hervorgehoben wurden. Wir haben wirklich keine Ahnung, was sie sind. Es ist unglaublich wichtig für das JWST, diese Planeten zu vermessen.&rdquo
Ein weiteres beliebtes Studienziel ist das Transitplanetensystem TRAPPIST-1&mdasha 40 Lichtjahre von der Erde entfernt, von dem angenommen wird, dass es sieben erdgroße Welten umfasst, die einen einzelnen Roten Zwergstern umkreisen. Forscher halten einige der Welten für potenziell bewohnbar. Um das System besser zu verstehen, werden sich zwei der GTO-Programme des JWST und drei der GO-Programme des Teleskops darauf konzentrieren. Laura Kreidberg, Direktorin des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg, leitet eines der GO-Programme. Dieses Projekt wird JWST verwenden, um die Temperatur der zweitinnersten Welt des Systems, TRAPPIST-1c, zu bestimmen und über fast 18 Beobachtungsstunden nach einer Atmosphäre auf diesem Planeten zu suchen.
Obwohl angenommen wird, dass TRAPPIST-1c selbst zu heiß ist, um Leben zu ermöglichen, würde das Vorhandensein einer Atmosphäre darauf hindeuten, dass auch kühlere und möglicherweise bewohnbarere Welten im System Atmosphären beherbergen könnten. Und im Moment kann nur JWST diese Daten liefern. &bdquoWir müssen weit draußen im Infraroten beobachten&ldquo, sagt Kreidberg. &bdquoDie Erde ist zu heiß. Sie müssen ein Teleskop im kalten Weltraum haben, das eine [ausreichende] Wellenlängenabdeckung hat. JWST ist das einzige Teleskop, das jemals gebaut wurde, das dies kann.&rdquo
Hier ist eine clevere Idee, nach den Schatten von Bäumen auf Exoplaneten zu suchen, um mehrzelliges Leben zu entdecken
Das ist die Art von Schlagzeile, die uns am Kopf kratzen lässt. Wie kann man Baumschatten auf anderen Welten sehen, wenn diese Planeten Dutzende oder Hunderte von Lichtjahren – oder sogar noch weiter – entfernt sind? Wie sich herausstellt, gibt es möglicherweise eine Möglichkeit, dies zu tun.
Ein Forscherteam glaubt, dass die Idee möglicherweise verwendet werden könnte, um eine der langjährigen Fragen der Menschheit zu beantworten: Sind wir allein?
Irgendwann in seinem Leben stößt fast jeder denkende Mensch auf diese Frage: “Sind wir allein im Universum?” Es gibt noch keine Antwort, aber wir suchen weiter. Für viele Menschen bedeutet die Suche nach Leben mehr, als einen kämpfenden Extremophilen zu finden, einen einzelligen Organismus in einem schmutzigen, heißen Loch irgendwo auf einer Planetenoberfläche. Einzellige Organismen wären eine Offenbarung für Wissenschaftler und wissenschaftsorientierte Menschen. Aber für viele Menschen ist es schwer, sich mit einer Schicht biologischen Abschaums an einer Höhlenwand zu identifizieren.
Es ist ein komplexes Leben, das wir wollen. Komplexes, vielzelliges Leben, das uns sagt, dass sich das Leben an einem anderen Ort als auf der Erde entwickeln und komplexer werden kann – und sogar intelligent werden kann. Und obwohl wir jetzt Tausende von Exoplaneten kennen und ständig mehr entdeckt werden, sind die meisten von ihnen nicht für das Leben geeignet.
Einige dieser Planeten könnten es sein, und wir nähern uns dem Tag, an dem wir ihre Atmosphären zuverlässig auf Biosignaturen untersuchen können. (Wir sehen dich an, James Webb Space Telescope). Aber in unserer schnell näher kommenden Zukunft werden Astrobiologen mehr Werkzeuge brauchen, die sie für diese Aufgabe anwenden können.
Eine Forschergruppe hat die Zukunft und Bäume im Blick. Bald werden wir in der Lage sein, einige unserer nächsten Exoplaneten-Nachbarn zuverlässig direkt abzubilden und nach Lebenszeichen zu suchen. Was sollen wir suchen? Baumschatten, laut einer neuen Studie.
“Die Erde hat mehr als drei Billionen Bäume, und jeder wirft Schatten anders als unbelebte Objekte.”
Christopher Doughty, Hauptautor, Northern Arizona University
Die neue Studie trägt den Titel “Distinguing multicellular life on exoplaneets by testing Earth as a Exoplanet.” Der Hauptautor ist Christopher Doughty, Assistenzprofessor an der School of Informatics, Computing and Cyber Systems der Northern Arizona University. Das Papier ist im International Journal of Astrobiology veröffentlicht.
Diese Studie befasst sich speziell mit komplexem, vielzelligem Leben, aber nicht mit Leben, das Technologie nutzt. Die Autoren wollten wissen, ob es eine Möglichkeit gibt, dies außerhalb unseres Sonnensystems zu erkennen. Auf der Erde sind Bäume die größte und am weitesten verbreitete Form des vielzelligen Lebens. Und Bäume werfen Schatten. Gab es eine Möglichkeit, Baumschatten auf anderen Planeten zu erkennen?
Wald auf dem Berg Garibaldi, Garibaldi Provincial Park, British Columbia, Kanada. Bildnachweis: Von TheSimkin (Gespräch · Beiträge) – Eigene Arbeit des ursprünglichen UploadersÜbertragen von en.wikipedia nach Commons von Siebrand., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 3957472
“Die Erde hat mehr als drei Billionen Bäume, und jeder wirft Schatten anders als unbelebte Objekte,”, sagte Hauptautor Doughty in einer Pressemitteilung. “Wenn Sie mittags nach draußen gehen, stammen fast alle Schatten von menschlichen Objekten oder Pflanzen und es gäbe zu dieser Tageszeit nur sehr wenige Schatten, wenn es nicht vielzelliges Leben gäbe.”
Wie können wir also eine Billion Schatten von einer Billion Bäumen erkennen? Der Aufwand dafür fällt unter den Schirm der sogenannten bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion (BRDF). Grundsätzlich ist BRDF die Änderung des beobachteten Reflexionsvermögens bei sich änderndem Blickwinkel oder Beleuchtungsrichtung, und ein Teil davon sind Schatten.
Es gibt einen entscheidenden Unterschied, schreiben die Autoren, zwischen komplexem mehrzelligem Leben und einfachem Leben. Reichliches, aufrechtes vielzelliges Leben wie Bäume werfen Schatten bei hohem Sonnenstand. Das ist eine kritische Unterscheidung, argumentieren die Autoren, und eine, die verwendet werden kann, um Leben aus großer Entfernung zu erkennen. Zukünftige leistungsstarke Teleskope können verwendet werden, um nach diesen Schatten zu suchen.
Aber es gibt Einschränkungen.
“Der schwierige Teil ist, dass jedes zukünftige Weltraumteleskop wahrscheinlich nur ein einziges Pixel haben wird, um festzustellen, ob Leben auf diesem Exoplaneten existiert,”, sagte Co-Autor Andrew Abraham. “Die Frage lautet also: Können wir diese Schatten, die auf vielzelliges Leben hinweisen, mit einem einzigen Pixel erkennen?”
Ein einzelnes Pixel ist nicht viel, um damit zu arbeiten. Auch andere natürliche Strukturen wie Krater können Schatten werfen. Die Frage für die Forscher lautete: ‘Wie können wir das testen?’
“Es wurde vermutet, dass Krater baumähnliche Schatten werfen könnten, und unsere Idee würde nicht funktionieren“, sagte David Trilling, außerordentlicher Professor für Astronomie. “Also entschieden wir uns, uns den nachgebauten Mondlandeplatz im Norden Arizonas anzuschauen, wo die Apollo-Astronauten für ihre Mission zum Mond trainierten.”
Das Cinder Lake Crater Field ist ein nachgebauter Mondlandeplatz in der Nähe von Flagstaff, Arizona. Sein vulkanischer Kies ist ein gutes Analogon zum Mondgestein. Die NASA hat Tonnen von Dynamit verwendet, um im Feld Krater zu erzeugen, auf denen Astronauten trainieren können. Über einen Zeitraum von vier Tagen mit kontrollierten Explosionen haben sie einen Teil der Mondoberfläche nachgebildet.
Eine der kontrollierten Explosionen, die verwendet wurde, um den Nachbau des Mondlandeplatzes in Arizona zu schaffen. Bildquelle: NASA/USGS
Um zu testen, ob Kraterschatten Baumschatten zu ähnlich waren oder nicht, setzte das Team Drohnen ein. Sie flogen zu verschiedenen Tageszeiten über das Kraterfeld, um die Schatten abzubilden. Das Team fand heraus, dass sich Kraterschatten tatsächlich genug von Baumschatten unterscheiden.
Aber das war nur ein kleiner Test. Wie würde sich das alles auf planetarischen Skalen abspielen?
Als nächstes wandte sich das Forscherteam dem Satelliten POLDER (Polarization and Directionality of Earth’s Reflectance) zu. Sie konnten zu verschiedenen Tageszeiten Schatten auf der Erdoberfläche beobachten, wobei die Auflösung so reduziert wurde, dass die Erde nur noch ein einziges Pixel war. Das sollte simulieren, was entfernte Beobachter sehen könnten.
Diese Abbildung aus der Studie zeigt das konzeptionelle Design des Teams eines entfernten Beobachters, der die Erde überwacht, und die Änderung der Rückstreuung, während sie sich um die Sonne dreht. ? ist der Azimutwinkel, ?ich ist der Sonnenzenitwinkel, ?v ist der Blickwinkel und ? ist der Phasenwinkel. Bildquelle: Doughty et al, 2020.
Mit diesen Daten verglichen sie sie mit ähnlichen Daten von Venus, Mars, Mond und sogar Uranus. Sie wollten sehen, ob das vielzellige Leben der Erde und die Schatten, die sie wirft, sich von den anderen Arten lebloser Welten unterscheiden.
Die Ergebnisse waren gemischt, aber stark genug, um weitere Überlegungen anzustellen.
Das Team hatte die Hypothese aufgestellt, dass die gerichtete Reflexion der Erde im Vergleich zu Mars, Venus, Mond und Uranus irgendwo zwischen felsigen Körpern ohne Verwitterung (Mars und Mond) und bewölkten Körpern wie Venus und Uranus liegen würde. In ihren Studien nutzten sie Modelle und empirische Ergebnisse. Die Modellierungsergebnisse bringen die Erde näher an den Mars, während empirische Ergebnisse zeigten, dass die Erde mehr mit der Venus übereinstimmt.
“Wenn jeder Exoplanet nur ein einzelnes Pixel wäre, könnten wir mit dieser Technik in den nächsten Jahrzehnten vielleicht mehrzelliges Leben entdecken.”
Christopher Doughty, Hauptautor, Northern Arizona University
Als nächstes untersuchte das Team große Gebiete wie den Amazonas, wo es reichlich Bäume gibt. Dort konnten sie vielzelliges Leben unterscheiden. Aber als sie auf den Planeten als Ganzes ‚herauszoomen‘, war es viel schwieriger.
Für Hauptautor Doughty sind die Ergebnisse vielversprechend für die Zukunft. Wie weit in die Zukunft geht, ist noch offen. Aber die Zukunft hat einen Weg, dort anzukommen, wo wir sie am wenigsten erwarten. Wie passt diese Technik in unsere Suche nach Leben?
“Wenn jeder Exoplanet nur ein einzelnes Pixel wäre, könnten wir diese Technik in den nächsten Jahrzehnten vielleicht verwenden, um vielzelliges Leben zu entdecken,” er sagte. “Wenn mehr Pixel benötigt werden, müssen wir möglicherweise länger auf technologische Verbesserungen warten, um zu beantworten, ob mehrzelliges Leben auf Exoplaneten existiert.”
Dieser Ansatz, Leben zu finden, könnte gut mit der Arbeit des James Webb-Weltraumteleskops übereinstimmen. Das JWST wird in der Lage sein, die Atmosphären von Exoplaneten auf Biosignaturen zu untersuchen. Aber es kann nichts über die Quelle verraten: einzelliges oder vielzelliges Leben.
In einem E-Mail-Austausch mit Hauptautor Christopher Doughty sagte er uns: „Bestimmte Spurengase, die vom JWST geschätzt wurden, könnten auf das Leben auf diesem Planeten hinweisen. Es wäre jedoch schwer zu unterscheiden, ob das Leben auf diesem Planeten zum “multizellulären”-Stadium fortgeschritten sein könnte, wie es auf unserem Planeten der Fall war
Vor 500 Millionen Jahren nur basierend auf atmosphärischen Spurengasen. Die von uns entwickelte Technik würde uns möglicherweise ermöglichen zu unterscheiden, ob sich auf diesem Exoplaneten mehrzelliges Leben entwickelt hat.”
“… uns sind keine anderen Techniken bekannt, um einen Exoplaneten mit vielzelligem Leben zu unterscheiden…”
Von “Unterscheidung von vielzelligem Leben auf Exoplaneten durch Testen der Erde als Exoplanet”
Im Fazit des Beitrags räumen die Autoren einige Mängel in ihrer Arbeit ein. Diese Art von Arbeit befindet sich noch in der Anfangsphase, und es gibt sicherlich Möglichkeiten, sie zu verbessern.
“Insgesamt könnte BRDF theoretisch zwischen Vielzellern unterscheiden distinguish
und einzelliges Leben auf Exoplaneten,” die Autoren schreiben, “aber wir haben Probleme sowohl mit unseren Modellen als auch mit unseren empirischen Beobachtungen erkannt
das muss verbessert werden, bevor diese Technik mit Zuversicht verwendet werden kann.”
In einer E-Mail erklärte Doughty: “Das von uns verwendete Modell war besonders gut für Vegetation und terrestrische Oberflächen, aber nicht so gut für Wolken und Ozeane.” Um die Methode zu verbessern, benötigt das Team ein besseres Exoplanetenmodell.
“Wir könnten diese Planeten modellieren, vorausgesetzt, sie hätten kein Leben, nur mikrobielles Leben und einen Planeten voller aufrechter Vegetation. Wir würden diesen Exoplaneten dann sorgfältig überwachen, während er sich um seinen Stern dreht, und ihn danach klassifizieren, welches Szenario am besten zu den modellierten Ergebnissen passt – kein Leben, mikrobielles Leben oder vielzelliges Leben.”
Am Ende ihrer Arbeit stellen die Autoren die sachdienliche Frage: “Sollte diese Forschungsrichtung deshalb aufgegeben werden? Theoretisch könnte es immer noch funktionieren und da wir keine anderen Techniken kennen, um einen Exoplaneten mit vielzelligem Leben zu unterscheiden, glauben wir, dass weitere Forschungen noch fortgesetzt werden sollten.”
Bildnachweis: Space Telescope Science Institute
Künstlerisches Konzept der bevorstehenden TESS-Mission auf der Suche nach Planeten um andere Sterne.
Bildnachweis: MIT/TESS-Team
Foto eines von JPL getesteten Starshade-Modellsup
Bildnachweis: NASA/JPL
Eine innovative Technik, die bei zukünftigen Missionen verwendet werden könnte, ist die Umlaufbahn eines großen Geräts namens Starshade. Dies würde an einem präzisen Ort Tausende von Meilen entfernt von der Umlaufbahn eines Weltraumteleskops eingesetzt und würde das Licht des Zielsterns präzise blockieren, sodass das Weltraumteleskop Planeten viel kleiner und näher an ihren Sonnen abbilden könnte, als es selbst mit einem Koronographen möglich wäre . Ein Sternenschattenpaar mit einem ausreichend starken Teleskop kann es uns sogar ermöglichen, terrestrische Welten in der bewohnbaren Zone ihrer Sterne direkt abzubilden und möglicherweise sogar ihre Atmosphären zu analysieren, um Lebenszeichen zu finden.
Die Instrumentierung ist nicht das einzige Werkzeug, das sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt: Auch unsere mathematischen Techniken zum Scannen und Analysieren von Daten entwickeln sich weiter. Die bereits gesammelten Daten können sogar zu neuen Erkenntnissen führen! So stehen beispielsweise die Datensätze der Kepler-Mission für jedermann zur Analyse offen. Neue statistische Analysetechniken können aus den Millionen von Kepler gesammelten Lichtkurven noch mehr mögliche Exoplaneten herauskitzeln. Daten mit den Positionen von Sternen und ihren Spektren aus früheren Beobachtungen durch andere Observatorien können ebenfalls recherchiert und analysiert werden, um mehr Informationen über zuvor entdeckte Planeten zu erhalten, um vermutete Planetenkandidaten zu bestätigen und können sogar verwendet werden, um unentdeckte Planeten zu finden!
Das Night Sky Network veranstaltete kürzlich eine Telefonkonferenz mit Dr. Charles Beichman vom Exoplanet Institute der NASA, und Sie finden seine Präsentation und eine Aufzeichnung seiner Präsentation über die Zukunft der Exoplanetenforschung auf unserer speziellen Telecon-Seite. Die PlanetQuest-Website der NASA bietet eine Vielzahl von Informationen für die Öffentlichkeit, Pädagogen und Amateurastronomen. Weitere technische Informationen finden Sie auch auf der Website des Exoplanet Exploration Program der NASA.
Titel der Forschungsbox
Seine Größe und Oberflächengravitation sind viel größer als die der Erde, und seine Strahlungsumgebung mag feindlich sein, aber ein entfernter Planet namens K2-18b hat das Interesse von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt geweckt. Zum ersten Mal haben Forscher Wasserdampfsignaturen in der Atmosphäre eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt, der sich in der "habitablen Zone" befindet, der Region um einen Stern, in der sich möglicherweise flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines felsigen Planeten ansammeln könnte.
Astronomen des Center for Space Exochemistry Data am University College London im Vereinigten Königreich verwendeten Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA, um Wasserdampf in der Atmosphäre von K2-18b zu finden, einem Exoplaneten um einen kleinen roten Zwergstern von etwa 110 Lichtjahren weg im Sternbild Löwe.
Wenn weitere Studien bestätigen, wird dies der einzige Exoplanet sein, von dem bekannt ist, dass er sowohl Wasser in seiner Atmosphäre als auch Temperaturen hat, die flüssiges Wasser auf einer felsigen Oberfläche halten könnten. Flüssiges Wasser wäre nur möglich, wenn sich herausstellt, dass der Planet terrestrisch ist und nicht einer kleinen Version von Neptun ähnelt.
Angesichts der hohen Aktivität seines Roten Zwergsterns ist K2-18b möglicherweise lebensfeindlicher als die Erde, da es wahrscheinlich mehr energiereicher Strahlung ausgesetzt ist. Der Planet, der 2015 vom Weltraumteleskop Kepler der NASA entdeckt wurde, hat auch eine achtmal größere Masse als die Erde.
Das Team verwendete Archivdaten aus den Jahren 2016 und 2017, die von Hubble erfasst wurden, und entwickelte Open-Source-Algorithmen, um das durch die Atmosphäre von K2-18b gefilterte Licht des Wirtssterns zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten die molekulare Signatur von Wasserdampf und deuten auch auf das Vorhandensein von Wasserstoff und Helium in der Atmosphäre des Planeten hin, die Gase sind, die für das Leben, wie wir es kennen, nicht gastfreundlich sind.
Die Autoren des in Nature Astronomy veröffentlichten Papiers glauben, dass andere Moleküle, einschließlich Stickstoff und Methan, vorhanden sein könnten, aber mit aktuellen Beobachtungen bleiben sie nicht nachweisbar. Weitere Studien sind erforderlich, um die Wolkenbedeckung und den Prozentsatz des vorhandenen atmosphärischen Wassers abzuschätzen. Ein Artikel eines anderen Wissenschaftlerteams, das Hubble-Beobachtungen verwendet, wurde beim The Astronomical Journal eingereicht.
K2-18b ist einer von Hunderten von bekannten Exoplaneten mit Massen zwischen denen von Erde und Neptun – gefunden von Kepler. Die TESS-Mission der NASA soll in den kommenden Jahren Hunderte weiterer Supererden entdecken. Die nächste Generation von Weltraumteleskopen, darunter das James Webb Space Telescope, wird in der Lage sein, die Atmosphären von Exoplaneten genauer zu charakterisieren.
Auswirkungen der Vielfalt von Exoplaneten
In den letzten 20 Jahren der Entdeckung von Exoplaneten ist eine der wichtigsten Erkenntnisse die Vielfalt der Exoplaneten. Sonnensystem-Analoga müssen etwas selten sein, obwohl sie relativ schwer zu entdecken sind, sind noch keine bekannt. Es scheint, dass weniger als 10-20% der sonnenähnlichen Sterne Kopien des Sonnensystems beherbergen könnten. Stattdessen haben Astronomen herausgefunden, dass Exoplaneten und exoplanetare Systeme unglaublich vielfältig sind, mit Planeten fast aller denkbaren Massen und Größen sowie Bahnabständen von ihrem Wirtsstern (13). Eine der überraschendsten Entdeckungen von Exoplaneten ist, dass der häufigste Planetentyp kein Planet von der Größe eines Jupiters ist, sondern ein Planet, der etwa doppelt so groß wie die Erde oder kleiner ist (3). Andere Höhepunkte der Exoplaneten-Diversität sind ein Übergewicht von sub-Neptun-großen Planeten (14, 15), die zwischen Erde und Neptun-Größen liegen, ohne Gegenstück zum Sonnensystem und Bildung, die noch nicht verstanden wurde (z. B. Lit. 16) zirkumbinäre Planeten (17 ) kompakte Mehrplanetensysteme (18), darunter mindestens eines mit fünf Planeten, die das Innere der Merkurbahn (19) umkreisen, und heiße Gesteinswelten, deren Oberflächen von ihrem Stern voraussichtlich auf über 2.000 K erhitzt werden, was heiß genug ist um flüssige Lavaoberflächen zu erzeugen [Kepler 10b (20) und Kepler 78b (21, 22)].
Die Vielfalt der Massen, Größen und Umlaufbahnen von Exoplaneten veranschaulicht die stochastische Natur der Planetenentstehung, und wir erwarten, dass sich diese Vielfalt sowohl in Bezug auf die atmosphärische Masse als auch auf die Zusammensetzung auf die Atmosphären von Exoplaneten ausdehnt. Die atmosphärische Masse und Zusammensetzung eines bestimmten Exoplaneten sind nicht vorhersagbar (23), und außerdem sind Beobachtungen noch nicht in der Lage, die atmosphärische Zusammensetzung zu messen oder Schätzungen der atmosphärischen Masse zu liefern. Dennoch lohnt es sich, einige Schlüsselfaktoren zusammenzufassen, die eine Planetenatmosphäre steuern. Die Atmosphäre eines Planeten entsteht durch Ausgasen während der Planetenentstehung oder wird gravitativ vom umgebenden protoplanetaren Nebel eingefangen. Die Menge des eingefangenen oder entgasten Gases ist nicht bekannt und kann stark variieren. Bei terrestrischen Planeten kann die ursprüngliche Atmosphäre durch das Entweichen leichter Gase in den Weltraum, das kontinuierliche Ausgasen aus einem aktiven jungen Inneren und den Bombardement durch Asteroiden und Kometen vollständig verändert werden. Zu einem späteren Zeitpunkt formen die physikalischen Prozesse, die am oberen oder unteren Ende der Atmosphäre ablaufen, immer noch die Atmosphäre, einschließlich des thermischen und nichtthermischen atmosphärischen Entweichens von leichten Gasen, Vulkanismus und Plattentektonik. Ein Überblick über die atmosphärische Entwicklung der Erde ist in Lit. 24.
Die Vielfalt der beobachteten und theoretisierten Exoplaneten motiviert zu einer überarbeiteten Sichtweise der Bewohnbarkeit von Exoplaneten (25) (Abb. 1). Ein bewohnbarer Planet wird im Allgemeinen als einer definiert, der flüssiges Oberflächenwasser benötigt, da alles Leben auf der Erde flüssiges Wasser benötigt. Flüssiges Oberflächenwasser wiederum erfordert eine geeignete Oberflächentemperatur. Da das Klima (und damit die Oberflächentemperatur) von Planeten mit dünner Atmosphäre von der externen Energiezufuhr des Wirtssterns dominiert wird, basiert die bewohnbare Zone eines Sterns (26, 27) auf der Entfernung vom Wirtsstern. Kleine Sterne mit ihrer relativ geringen Leuchtkraft haben im Vergleich zu sonnenähnlichen Sternen eine bewohnbare Zone, die ihnen viel näher ist. Neben der Energie des Wirtssterns sind es die Treibhauserwärmungseffekte der Atmosphären felsiger Planeten, die die Oberflächentemperatur steuern. Die überarbeitete Ansicht ist, dass die Bewohnbarkeit von Planeten planetenspezifisch ist, da sich die riesige Bandbreite der Planetenvielfalt in Bezug auf Massen, Umlaufbahnen und Sterntypen auf die Planetenatmosphären erstrecken sollte, basierend auf der stochastischen Natur der Planetenentstehung und der nachfolgenden Evolution.
Die erweiterte bewohnbare Zone. Die blaue Region zeigt die konventionelle bewohnbare Zone für N2-CO2-H2O-Atmosphären (27, 30). Die dunkelrosa Region zeigt die bewohnbare Zone nach innen ausgedehnt für trockene Planeten (28, 29) so trocken wie 1% relative Luftfeuchtigkeit (28). Die äußere orange-braune Region zeigt die äußere Ausdehnung der bewohnbaren Zone für wasserstoffreiche Atmosphären (31) und kann sich sogar auf frei schwebende Planeten ohne Wirtsstern erstrecken (32). Die Planeten des Sonnensystems werden mit Bildern gezeigt. Bekannte Supererden (Planeten mit einer Masse oder Mindestmasse von weniger als 10 Erdmassen aus Ref. 86). Geändert von Ref.-Nr. 25.
Die bewohnbare Zone für Sterne vom Sonnentyp wurde mit einem Bereich von etwa 0,5 (für trockene Planeten) (Lit. 28 und 29, aber vgl. Lit. 30) bis 10 AE [für überwiegend felsige Planeten mit Wasserstoffatmosphären (31) um eine Sonne -ähnlicher Stern oder sogar darüber hinaus, abhängig von den Eigenschaften des Planeteninneren und der Atmosphäre (32)]. Die Ausdehnung der bewohnbaren Zone ist etwas umstritten, da am Ende der Kleinplaneten-Stern-Trennung nur begrenzte Kenntnisse über planetare Prozesse wie Vulkanismus, Plattentektonik und Hydratationsraten auf Exoplaneten mit niedrigen Wasserreservoirs vorliegen. At the larger planet–star separation end, there is an inability to determine which of the many thermal and nonthermal atmospheric escape processes are dominant on planets with unknown compositions and host star UV radiation history.
Extreme caution should be taken with the quantitative predictability of exoplanet habitable zone models based on the complicated physics and the imposed model input conditions (including but not limited to planet obliquity and planet atmosphere mass). In particular and as a good example, there is serious disagreement in the literature about the inner edge of the habitable zone. For example, information in ref. 28, which finds an inner edge of 0.5 AU, differs substantially from information in ref. 29, which finds an inner edge of 0.77 AU. Although ref. 28 used a 1D model and ref. 29 used a 3D model, the most significant difference is likely the relative humidity (28), because a 1D model must impose a globally averaged relative humidity (1% imposed by ref. 28), whereas a general circulation model (GCM) can calculate the relative humidity (which appears closer to 10% in ref. 29). The 1% value originates from an order of magnitude estimate based on very dry equatorial regions and moist poles that will have liquid precipitation, a case that should apply for very dry planets that have reasonably fast rotation rates. This basic postulate is being further investigated with the MIT 3D GCM. One possible reconciliation between refs. 28 and 29 is that a 3D model could yield a much lower global relative humidity with an increased range of parameter space, such as that investigated in ref. 28 (including surface gravity, surface albedo, and stellar type). Ultimately, observations of a rocky planet with water vapor at a small planet–star separation will be needed to try and settle this debate.
Regardless of model-based opinion, we must keep an open mind in the choice of exoplanets to search for signs of life simply to increase the chances of success.
Huge Space Telescope Needed to Seek Life on Alien Planets
Humanity will probably have to wait a few decades to find out if life is common beyond our own solar system.
While NASA's James Webb Space Telescope (JWST) — which is scheduled to launch in 2018 — will be capable of finding signs of life on nearby exoplanets, a broad and bona fide hunt for life beyond Earth's neighborhood will require bigger spacecraft that aren't even on the agency's books yet, experts say.
"To find evidence of actual life is going to take another generation of telescopes," JWST telescope scientist Matt Mountain, director of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, said during a NASA briefing Monday (July 14). "And to do that, we're going to need new rockets, new approaches to getting into space, new approaches to large telescopes — highly advanced optical systems." [10 Exoplanets That Could Host Alien Life]
A chance to find signs of life
The $8.8 billion JWST features 18 hexagonal mirror segments that will work together to form one 21-foot-wide (6.5 meters) mirror — larger than any other mirror that's ever flown in space, NASA officials said. (For comparison, the agency's iconic Hubble Space Telescope sports an 8-foot, or 2.4 m, primary mirror.)
JWST is optimized to view in infrared light. The telescope should be able to do lots of different things during its operational life, researchers say, including scanning the atmospheres of alien planets for oxygen and other gases that could be produced by living organisms. (Such delicate work is best performed by space telescopes, which don't have to look through Earth's atmosphere.)
JWST will work in concert with another NASA space mission in this regard, performing follow-up observations on promising nearby worlds found by the agency's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which is scheduled to blast off in 2017.
"With the James Webb, we have our first chance — our first capability of finding signs of life on another planet," MIT astrophysicist Sara Seager said during Monday's NASA briefing. "Now nature just has to provide for us." [5 Bold Claims of Alien Life]
A numbers game
But nature may not be so willing, at least during the JWST mission, Seager and other experts stress. And it all comes down to numbers.
There is no shortage of planets in the Milky Way. Our galaxy teems with at least 100 billion planets, 10 to 20 percent of which, Mountain said, likely circle in their host star's "habitable zone" — that just-right range of distances that could allow liquid water to exist on a world's surface. If there's nothing terribly special about Earth, then life should be common throughout the cosmos, many scientists think.
But most exoplanets are very far away, and all of them are faint. JWST, while large by current standards, won't have enough light-collecting area to investigate more than a handful of potentially habitable planets, researchers say.
A spacecraft with a 33-foot (10 m) mirror would give researchers a much better chance of finding biosignatures in alien atmospheres, but Mountain would like something even bigger.
"With a 20-meter telescope, we can see hundreds of Earth-like planets around other stars," he said. "That's what it takes to find life."
Laying the foundation
There are no concrete plans to build and launch such a large space telescope, whose size would pose a number of logistical and engineering challenges. However, JWST is a potentially big step along the way to this goal.
For example, the JWST team figured out how to make mirror segments with incredible precision — a skill that could come in handy down the road.
"They're basically perfect," said JWST senior project scientist John Mather of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, who won a Nobel Prize in 2006 for his work with the agency's Cosmic Background Explorer satellite.
"If we were to expand the mirror to the size of the continental United States, the mirror would be accurate to within 3 inches," Mather said. "This is completely amazing technology we have now mastered and are using."
The hunt for life on distant worlds will be a multi-generational effort that goes from TESS and JWST to other, larger space telescopes, Seager said. And overcoming the various challenges involved will almost certainly require the cooperation of a number of different countries and organizations.
"Putting together the partnership that can find Earth 2.0 is a challenge worthy of a great generation," Mountain said.
Closer to home
All of this does not necessarily mean, however, that alien life won't be detected until humanity launches an enormous space telescope. Indeed, confirmation that Earthlings aren't alone in the universe may come from worlds much closer to home.
For example, NASA's next Red Planet rover, which is due to launch in 2020, will hunt for signs of past Mars life. And both NASA and the European Space Agency have plans to mount a mission to Jupiter's ocean-harboring moon Europa, which many experts regard as the solar system's best best to host alien life.
Europe's JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) mission is currently scheduled to blast off in 2022 to study the Jovian satellites Callisto and Ganymede in addition to Europa. NASA officials have said they hope to launch a Europa mission sometime in the mid-2020s.
How NASA's James Webb Space Telescope Could Spot Earth-like Planets
The James Webb Space Telescope has been in the news a lot lately. Often referred to as the replacement for the Hubble Space Telescope, its existence has been in jeopardy since a House committee voted to cut its funding this summer. While the telescope promises to revolutionize space science, its expanding budget has caused politicians and others to wonder if the promised returns justify the cost.
The JWST is not merely an upgraded version of Hubble. Rather than measure visible or ultraviolet light like Hubble does, JWST will detect infrared wavelengths from 0.6 (orange light) to 28 micrometers (deep infrared radiation of about 100 K, about minus 173 degrees Celsius or minus 280 degrees Fahrenheit).
Because JWST will be looking for heat, the telescope has to be kept very cold, and shielded from radiation coming from the sun, Earth and moon. To keep the telescope's temperature down to 40 degrees Kelvin (minus 233 C or minus 388 F), JWST will have a large sunshield and will orbit the sun at Lagrange Point 2.
The orbit of JWST will be 930,000 miles (1,500,000 kilometers) from the Earth, nearly 4 times farther than the distance between the Earth and the moon. The balance of gravitational forces from the Earth and sun at the L2 point will keep JWST in a stable orbit without having to expend much energy. However, this great distance also means servicing or repairing the telescope after launch may not be possible. [Photos: Building the James Webb Space Telescope]
"JWST's complexity, with large deployable optics and other systems operating at 40 K in an environment precluding any repair or servicing missions, has probably created one of the world's most complex and expensive integration and test programs," Michael Kaplan, NASA's first Program Executive for the James Webb Space Telescope program, wrote recently in The Space Review. While this testing protocol a part of the ballooning budget, the Independent Comprehensive Review Panel Report, issued in late 2010, said the main problem was that the necessary development costs had not been properly estimated, and the budget therefore had been unrealistic.
Five years ago, the project was estimated to cost 2.4 billion dollars, but the latest reports peg the total at closer to 8.7 billion. This July, the House of Representatives' appropriations committee on Commerce, Justice, and Science moved to cancel the project by taking $1.9 billion out of NASA's 2012 budget. Maryland Senator Barbara Mikulski is now the project's main defender in Congress, since, as is the case with Hubble, the Science and Operations Center for JWST is the Baltimore-based Space Telescope Science Institute. (JWST development is led by NASA's Goddard Space Flight Center, and the telescope is being built by Northrop Grumman Aerospace Systems for NASA, the European Space Agency, and the Canadian Space Agency.)
While Congress deliberates the issue, NASA administrator Charlie Bolden said JWST is one of the agency's top priorities. He added that NASA needed to look across all its programs to find funding for JWST as well as its other two priorities: sending commercial crews to the ISS, and developing the next generation space shuttle: the Space Launch System (SLS).
Due to the size of the budget, the journal Nature called JWST "the telescope that ate astronomy." Yet even if JWST is canceled, the money won't be given to other astronomical projects &mdash instead, under the recommendations of the House appropriations committee, the funding would be entirely eliminated from NASA's budget.
As of this writing an estimated $3.5 billion has been spent on the JWST project, with about three-fourths of the construction and testing completed. If JWST is not canceled by Congress, it is scheduled to launch in 2018 on the European Space Agency's Ariane 5 rocket.
The goal of the JWST is to search for the first stars and galaxies that formed after the Big Bang, and study the formation and evolution of galaxies, stars, and planetary systems. According to Matt Mountain, director of the Space Telescope Science Institute, and John Grunsfeld, former NASA astronaut and STScI deputy director, JWST also will be able to search for and study planets orbiting distant stars in a way that no other telescope can. Astrobiology Magazine editor Leslie Mullen recently talked with Mountain and Grunsfeld about what JWST could reveal about habitable worlds in our galaxy.
Leslie Mullen: The James Webb Space Telescope should be able to find exoplanets, and now there's talk that a star shade could extend this capability. Could you tell me more about that?
Matt Mountain: The whole idea with the star shade is, once we get James Webb up there and working, then you can launch the star shade and it floats in front of it, a hundred thousand miles away from us. It's an autonomous vehicle that you keep lined up.
Mullen: Can you explain what the star shade actually does?
Mountain: It's like putting your thumb in front of the Sun &mdash it creates a shadow. It's very carefully shaped, so you don't get the sort of flaring that you normally get when you use a perfect sphere, where you get all these rings and refractions. These petals are designed to create a very smooth, very deep shadow. You basically slide in and out of the shadow, and then you can actually see the planet next to the star. The star is in the shadow, and the planet peeks around the shadow.
Mullen: You can see any sort of planets with that?
Mountain: Any planet that's within 1 AU, like a habitable zone, or [farther] out.
John Grunsfeld: James Webb is sold as studying galaxies, but I think its greatest discovery may be a habitable Earth-like exoplanet. That's what's going to blow everybody away.
Mullen: So you'd be able to directly image a terrestrial planet, which has never been done before?
Grunsfeld: Genau. But it wouldn't be like a Rand McNally map, it would be a spot. But because you'd see a spot, we can then do a spectrum of that spot.
Mountain: You'd actually get a color. If it's like Earth, it'll look blue.
Grunsfeld: And, if you had enough time, and there were seasons, with ice covering and then going away, you could study it and be able to tell the difference between winter and summer on the planet, or vegetation, in principle. Just from unresolved single pixels, because of the color changes.
Mountain: Or you could tell it is rotating.
Mullen: Is there a limit to the kinds of stars JWST can target for planet searches?
Mountain: You can only look at stars out to a certain distance, to about 10 or 20 parsecs. But that's ok, because the planets [farther out] are too faint anyway. Any farther away and we can't differentiate them, both the planet and the star will be hidden by the star shade.
Mullen: Could James Webb confirm the exoplanet candidates discovered with the Kepler space telescope?
Mountain: Not the Kepler set, because they're all very distant.
Mullen: They're not within 10 to 20 parsecs?
Grunsfeld: They picked them not because they were close to Earth, but in a sense because they were far away. Not all of them, but in that one field [where Kepler looks], there were lots and lots of stars. And you say why didn't they point toward the center of the Milky Way galaxy, but that's too many stars. So their Goldilocks Zone is the number of stars in their field of view that was just about right so they can study 150,000 stars in one go. In order to see the nearest thousand stars around Earth, you have to look in all directions, because they're spherically all around us.
Mullen: And James Webb will be able to see that whole sphere?
Mountain: Yes, over the course of a year it can sample the entire sphere and can sample tens of possible habitable stars: 20, 30, 40. You can search the nearest 20 to 30 solar systems, and based on current assumptions there is a significant likelihood you could find 5 Earth-like planets. You can make 9 to 10 repeat observations, which will be needed to confirm 5 Earth-like planets.
Grunsfeld: But here's the key, and this is what James Webb can uniquely do. Let's say these cubesats[small satellites designed to hunt for exoplanets] identify in the hundred or so stars that are close to us, based on transits[when a planet passes in front of its star], Earth-sized planets in habitable zones around those stars. That's all we can learn. We may be able to learn how far away they are from their parent star, their mass and diameter. Those are all good things. And you say, gosh, that looks a lot like Earth. But does it have oceans? Does it have an atmosphere? Are there any chemical signs of interest there? That's where James Webb comes in, and that's what James Webb will be able to do with or without a star shade for a subset. The star shade expands that remarkably. It allows you to see the atmosphere of planets that are orbiting nearby stars.
Mountain: We've already shown with the modeling that if there's a SuperEarth with the right orientation, where the planet transits the star, we can detect liquid water. You can look at the spectra for water in the atmosphere and other things.
Mullen: Why can JWST see only a subset of planets, but you need a star shade for the others?
Grunsfeld: You can do atmospheric transmission from a transit. Now, what if it's not transiting? Then what do you do? James Webb needs a star shade for those others.
Mountain: If you think of it geometrically, the orientation's got to be right. If you do the statistics, you'll measure a transit for 5 to 7 percent of stars. Well, 5 to 7 percent is already a small number, and there's a small number of Earth-like planets, and a small number of those will be in the habitable zone. But what you really want to do is a census of all the nearby stars, and take spectra directly, independent of the orientation. The star shade enables that.
Mullen: It seems one of the difficulties of JWST is the technology that needed to be developed beyond what had been done for previous telescopes.
Mountain: The technology has all been going really well. One of the most challenging things was the mirrors. Each individual mirror on James Webb is close to Hubble. We have all the mirrors. Half of them are in boxes, and they're all ready to roll.
Mullen: The James Webb telescope is projected to cost about 8.7 billion. How much did Hubble cost?
Grunsfeld: About 6 billion in today's dollars, not including the science operations. James Webb started in earnest in about year 2000, and it'll take about 15 years to complete, and then test and launch. Hubble started in 1975, and it took about 15 years to assemble, test and launch. Hubble is 26,500 pounds, and James Webb is about half of that, but more complex. To build something brand-new, technologically advanced, pushing the envelope in its time, it'll cost a quantum unit, and if you want to repeat that experience, inflating to current-year dollars, if it costs vastly different, more or less, you either have a breakthrough, which everyone will then want to figure out why it cost so little, or you're doing something wrong. And I think the miraculous thing about James Webb is, it's much harder than Hubble. It has to operate close to absolute zero, 40 Kelvin, a million kilometers from Earth, not in Earth orbit, it can't be fixed, and it doesn't fit in the rocket it launches on &mdash it has to unfold when it gets there.
Mullen: I worry about it not unfolding properly after launch. That's always a risk for these space missions, isn't it?
Mountain: Those technologies are the ones we inherited from industry. There's no way you can launch a 19-meter antenna. But you need two 19-meter antennas if you want to transmit HDTV and internet from geostationary orbit, where you make real money. Such deployable antennas are the provenance for the star-shade technology. For JWST it's this plus a whole raft of large deployable technologies aerospace companies use.
Grunsfeld: And of course, everybody needs HDTV. CNN reported that this year, the television rights for advertising just for college basketball exceeded NASA's budget. The rights for college football is much more. So what are our priorities? When you heard about bank bailouts and these kinds of things, we could have fleets of James Webbs for the AIG bail-out. Obviously that was a national priority to prevent collapse &mdash or at least that was the story &mdash but those were very big numbers, and these are very small numbers.
Mullen: Would you ever want James Webb to have commercial partners?
Mountain: No, it's just a government project.
Mullen: But why not? Seems everything in space is going commercial these days.
Mountain: What is James Webb for? It's pure science. It's part of the scientific endeavor. It's like Hubble. Hubble was paid for by the taxpayer. How many kids did we turn on to science because they saw a great Hubble picture? In Hubble we make two discoveries a day. People shouldn't be paying for those images because the taxpayer already paid for it upfront.
Grunsfeld: The whole point is, right now the commercial space industry for human spaceflight, or even commercial orbital transportation of cargo for human space flight at NASA, it's almost fully subsidized by NASA. Companies are saying it's commercial. But none of them would exist if it wasn't for NASA putting money up front. Not tens of dollars, but hundreds of millions of dollars. And the reason is, and this commercial drive is, the hope that they will spur on industries that are subsidized.
And so for instance, the companies that are building James Webb Space Telescope, NASA is paying them to build it, and NASA is paying the other companies to develop technologies for James Webb Space Telescope, and it's to do pure science. It's to discover an Earth-like planet around nearby stars, to discover the very first stars that ever formed in the universe &mdash these incredible things.
What does that do for us? Well, for the company that's building it, when they go to build the next communications satellite, or the next spy satellite, or the next commercial satellite for something else, they have all that expertise now that allows them to build it that otherwise they would not have been able to invest in. Because they weren't trying hard things. If the United States doesn't try to do hard things and really interesting things, all we're going to end up with is college basketball, professional sports, entertainment, and service [industries].
Mountain: And the other thing is, it inspires people to say, "Do you want to work on the telescope that's going to find the first life?" It doesn't matter if you work for NASA or a commercial company, that gets the engineers interested. The company brings in very smart people, and what's more, they can talk about what they do. Because when they're working on a spy satellite, they can't even tell their kids what they do. But to be able to tell their kids and their spouses that they are working on the forefront that's going to change the world . the companies always tell you they're incredibly proud to be associated with these missions.
And they even occasionally make money. They're getting a huge return on their investment. Congress several years ago worked out that for every dollar invested in space science, 7 dollars got returned to the US economy over a period of 20 years, from the sheer technology flow. In Europe they made a similar calculation, that for every dollar they invested in big science in Europe, roughly 3 to 4 dollars got returned to the European economy over the same period because of the improvements.
You know, if we hadn't funded this crazy German who talked about relativity and bending the light, or this crazy guy who wanted to build a device based on that strange quantum theory thing and all he talked about was dead cats in a box &mdash I mean, what was he talking about? But because they funded those things, we now have GPS.
Grunsfeld: All of news about the James Webb Space Telescope over the past year has been about how it's expensive, it's going to take a long time, and if only we didn't have to spend that money, we'd be able to do all these great scientific things. And what has been lost for some reason that I don't understand &mdash maybe because I'm a newcomer to the project &mdash is that, yes it's expensive, but it's also, enormously by many factors, the most capable astronomical facility that we'll ever have.
And in the fields of dark energy, dark matter, all of astrophysics, but specifically in exoplanets, it does all the things that everybody is saying, "Oh, if only we didn't have James Webb we could do this." But James Webb does it, and does it better than they think the new missions might. So it's very frustrating.
Diese Geschichte wurde vom Astrobiology Magazine bereitgestellt, einer webbasierten Veröffentlichung, die vom Astrobiologieprogramm der NASA gesponsert wird.
