Webb jest gotowy na nasze wymagania, ale czy my jesteśmy na jego? Wygląda na to, że nie zawsze

Czasem, gdy mówimy o cenie jaka należy ponieść przy okazji wdrożenia nowej technologii, mamy na myśli negatywne skutki, nawet związane z życiem ludzkim. Czyli coś tracimy, by coś zyskać. W tym przypadku jednak chodzi o cenę, a raczej koszt, którego nie należy rozumieć negatywnie, ale który należy ponieść. I choć można go przełożyć na wartość denominowaną w dolarach czy też innej walucie, przede wszystkim jest to koszt polegający na opracowaniu na nowo technik przetwarzania danych obserwacyjnych.

W astronomii, ale też innych dziedzinach nauki, same surowe dane to dopiero połowa sukcesu. Dopiero, gdy je odpowiednio opracujemy, uzyskamy rezultat, który można odpowiednio zinterpretować i zaprezentować szerszej społeczności. Dlatego wśród astronomów tak cenieni są ci, którzy maja nie tylko wiedzę, ale też talent do odpowiedniego „rozumienia” obserwacji.

Spektroskopowe obserwacje atmosfer planet pozasłonecznych w niespotykanej dotychczas precyzji, to jedno z najbardziej wyczekiwanych zastosowań teleskopu kosmicznego Webb. Potencjalnych celów obserwacji są tysiące, bo tak wiele planet już wykryto w Galaktyce.

Wydawałoby się, że dane obserwacyjne z Webba są właśnie wyższej precyzji niż np. z Hubble’a, ale nic ponad to. A jednak analiza przeprowadzona przez pracowników MIT sugeruje, że sposób w jaki dotychczas przekładano rejestrowane obserwacje spektroskopowe na własności atmosfer planet, nie musi sprawdzać się w przypadku danych z Webba. Inaczej rzecz ujmując, przetwarzając dane z Webba tak samo jak czyniono to wcześniej dla danych z innych teleskopów, dostaniemy niepoprawne wyniki.

Obserwacje z teleskopu Webb, w tym dane spektroskopowe, są poprawne, ale obecna technika ich interpretacji może dać wynik nawet rząd wielkości (10-razy) odmienny od faktycznego. A to oznacza, że wnioski na temat odległych światów mogą okazać się nieprawidłowe

I to nie tyle złe, co nieprecyzyjne. Argumenty przytaczane przez pracowników MIT, w tym jednego z kierowników projektu, Juliena de Wit, dotyczą modeli nieprzeźroczystości. Czyli tego jak światło macierzystej gwiazdy oddziałuje z atmosferą pobliskiej planety. A dokładnie z poszczególnymi jej składnikami. I tego jak te oddziaływania manifestują się w obserwowanym przez teleskop widmie atmosfery planetarnej.

Przy precyzji danych z Webba, dotychczasowe modele opisujące atmosfery planetarne się nie sprawdzają. Oszacowania temperatur, ciśnień jak i składu chemicznego mogą być zawyżone/zaniżone nawet o rząd wielkości.

Na przykład newtonowska teoria grawitacji sprawdza się w świecie, w którym egzystuje człowiek, ale gdy wkraczamy w skale subatomowe, rolę zaczynają odgrywać efekty kwantowe, których wspomniana teoria nie uwzględnia. Trzeba zająć się opisem grawitacji z pomocą mechaniki kwantowej.

Podobnie w rzeczywistości w której efekty relatywistyczne są istotne (np. w pobliżu czarnej dziury, ale nawet w pobliżu Słońca np. na orbicie Merkurego, czy przy analizie sygnałów z satelitów GPS), trzeba je uwzględnić. Do poprawnego ich opisu potrzebna jest teoria względności Einsteina. Tą teorią można również opisać naszą ziemską rzeczywistość, w której poruszamy się z prędkościami dużo mniejszymi od prędkości światła. Nie ma to jednak większego sensu, bo wyrazy relatywistyczne we wzorach są w tym przypadku nieistotne. Zwykle wystarczy nam precyzja jaka proponuje pan Newton.

I tak samo, modele opisujące atmosfery planet dotychczas wystarczały, by interpretować obserwacje spektroskopowe, ale teraz wkraczamy w świat tak precyzyjnych pomiarów, że trzeba uwzględnić efekty wcześniej pomijalne. Inaczej, jak wynika z testów przeprowadzonych w MIT, nie będziemy w stanie stwierdzić, czy atmosfera planety ma temperaturę 300 czy 600 K, albo czy zawartość danego związku w atmosferze wynosi 5 czy 20%. Przy takich różnicach nie będziemy w stanie poprawnie np. wykryć śladów życia organicznego.

Obecne modele są w stanie być zgodne z obserwacjami niezależnie od tego czy prowadzą do tych pierwszych czy tych drugich wskazań.

Jeśli pracownicy MIT mają rację, to mamy twardy orzech do zgryzienia. Nie wystarczy bowiem „tylko” zmodyfikować algorytmy dotyczące oddziaływania światła z materią w atmosferach innych planet. Trzeba też wiedzieć jak je zmodyfikować. A to nie jest takie proste, bo naszym teoriom dotyczącym atmosfer planetarnych innych niż ziemska, wciąż daleko do doskonałości.

Wyobraźmy sobie bardzo teoretyczną sytuację. Wysyłamy na odległą planetę pozasłoneczną misję załogową, która leci tam przez dziesięciolecia. Tylko po to, by na miejscu dowiedzieć, że błędnie oceniono przydatność tej planety do życia. To byłaby tragedia. Na szczęście, zanim nauczymy się latać do gwiazd, nasza umiejętność interpretacji danych z teleskopów takich jak Webb osiągnie odpowiedni poziom

I tak teoretycy, nie tylko astronomowie, ale też eksperci od spektroskopii, stają przed zadaniem, które należy rozwiązać, jeśli chcemy, by obserwacje spektroskopowe z teleskopu kosmicznego Webb miały realną wartość. To jak się okazuje kolejne wyzwanie, podobnie jak analiza danych fotometrycznych dla bardzo odległych galaktyk, których światło może być osłabione w trudnym do oszacowania stopniu przez międzygalaktyczny pył.

Źródło: Nature, MIT, phys.org, inf. własna, fot wejściowe: NASA/Desiree Stover