Zahlavi

ARIEL prozkoumá atmosféry exoplanet

ARIEL prozkoumá atmosféry exoplanet

Fri May 18 08:33:00 CEST 2018

Technické i vědecké otázky konstrukce vesmírného satelitu, který bude pozorovat planety mimo naši sluneční soustavu a zkoumat jejich atmosféry, řešili členové mezinárodního konsorcia projektu Evropské kosmické agentury (ESA) nazvaného ARIEL neboli Atmospheric Remote sensing Infrared Exoplanet Large survey. Sešli se v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, který se na tomto projektu podílí v roli národního koordinátora za stranu České republiky.

Cílem satelitu – infračervené observatoře ARIEL – bude pozorovat přibližně 1000 exoplanet, a to od horkých plynných obrů velikosti Jupiteru a Neptunu až po menší kamenné planety zvané superzemě. „Cílem je zjistit jejich chemické složení, teplotu a mnoho dalších vlastností a využít této informace ke zpětné rekonstrukci toho, jak se zformovaly a vyvíjely. Budeme si vybírat rozmanité exoplanety, jak extrémně horké, které obíhají velice blízko kolem své hvězdy, tak teplotně mírnější. Usilujeme o to, aby náš vzorek zahrnul opravdu široké spektrum těchto těles a dovolil nám studovat různé typy hvězd a planet,“ říká prof. Giovanna Tinetti z Katedry fyziky a astronomie University College of London, která je odpovědná za vědeckou stránku projektu.

Atmosféry planet pro vědce představují přírodní laboratoře. Spektrální analýza odhalí jejich složení a umožní v nich hledat zajímavé molekuly a kondenzáty. „Zajímá nás jakýkoli chemický prvek či sloučenina obsažená v atmosféře, protože nám vypráví historii daných planet: jak se zformovaly, vyvíjely, jakou mají historii. Spektrální rozsah přístrojů družice Ariel umožní detekovat vodní páru, oxid uhličitý, čpavek – může zachytit opravdu dlouhý seznam molekul,“ dodává Giovanna Tinetti.



Kromě chemického složení však vědce zajímá i dynamika a teplotní profil atmosfér, přítomnost nebo rozsah oblaků, jakým způsobem jejich prvkové a molekulové složení ovlivňuje tamní počasí a celá řada dalších vědeckých otázek. Odpovědi na ně budou hledat ve spektroskopických datech, která má observatoř ARIEL nashromáždit.

Pohled do hlubin vesmíru
Vesmírný satelit, který má být v rámci projektu ARIEL zkonstruován, financuje Evropská kosmická agentura, jeho start je naplánován na rok 2028 a bude v provozu do roku 2032. Bude umístěn asi 1,5 milionu kilometrů od Země ve směru od Slunce v tzv. Lagrangeově libračním bodě L2 a ponese dalekohled spojený se spektrometrem, který bude zaznamenávat spektra vesmírných objektů v takovém rozsahu, aby byly pokryty všechny oblasti měření důležité pro detekci požadovaných chemických prvků a sloučenin v atmosférách planet. Bude se přitom využívat tzv. tranzitů: když planeta přechází před svou mateřskou hvězdou, její atmosféra pohltí část záření hvězdy, které se v dané chvíli změní a přístroje zaznamenávají tzv. absorpční spektrum. Z něho se pak dá určit složení atmosféry tranzitující planety. K tomu je však potřeba mít extrémně citlivé spektrometry. U planet typu „horký Jupiter“, které svítí samy o sobě, se bude měřit i jejich emisní spektrum.

Doktor Paul Eccleston z Rutherford Appleton Laboratory Space, University of Southampton ve Velké Británii, který má na starosti technické a organizační aspekty projektu, připomíná, že potřebují přístroje citlivé tak, aby dokázaly zachytit změnu toku světla z hvězdy o přibližně jednu desetitisícinu – a navíc musí mít velice stabilní základnu. „Budeme měřit události trvající celou dlouhou dobu přechodu planety před její hvězdou, což může být i 10 hodin, a to opakovaně, abychom provedli měření v každém spektrálním pásu s opravdu vysokou přesností,“ říká Paul Eccleston a upozorňuje, že je třeba řešit mnohé problémy. „Za prvé vytváříme poměrně velký teleskop, jehož optické vlastnosti musí být velmi stabilní. Proto musíme pro celou konstrukci i pro zrcadla použít jediný materiál, jedinou slitinu hliníku. Díky tomu zůstane i při změnách teploty – a v důsledku toho změnách tvaru – dokonale zaměřený.“



Teleskop a jeho přístroje budou muset být také dokonale chlazené na velmi nízké teploty, aby mohly měřit v infračervené oblasti spektra. „Musí pracovat při teplotě kolem 50 kelvinů, tedy asi -223 °C nad absolutní nulou. A aby jeho měření byla vysoce spolehlivá, uvedená teplota se musí udržet stálá, s tolerancí jednoho kelvinu, po celou dobu pozorování konkrétního tranzitu planety.“ Další významný technický problém představují detektory, které musí být také vysoce výkonné a přesné a musí pokrývat široký rozsah vlnových délek.

Konsorcium projektu ARIEL bylo vytvořeno, aby využilo nejlepší specializované dovednosti jednotlivých pracovišť v Evropě a ve světě, která přispívají hardwarem i vědeckými znalostmi ve velmi specializovaných oblastech.

Česká stopa ve vesmírné misi
Čeští vědci budou hrát důležitou roli v přípravě vědeckého programu mise. V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR (ÚFCHJH AV ČR) se totiž dlouhodobě zabývají tematikou vzniku života na Zemi a přispěli k řešení jedné z fundamentálních otázek současné vědy: jak vznikly biologické látky. Pomocí vysoce výkonného laseru PALS provozovaného Ústavem fyziky plazmatu AV ČR ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AV ČR, experimentálně prokázali, že stavební kameny živých struktur mohly vzniknout z molekuly formamidu, přičemž zdrojem energie pro energeticky náročnou syntézu biomolekul byly dopady asteroidů, které silně bombardovaly Zemi v raných fázích jejího vývoje. Družice ARIEL může přinést důležité poznatky v tomto ohledu, protože bude zkoumat i chemii planet v raném stadiu jejich vývoje – a vlastně tak vědcům otevře okno do minulosti.



„Jelikož se snažíme zkoumat nejen rané ‚země´, ale obecně téma planetární chemie, můžeme v laboratoři zkoumat různé další chemické procesy, třeba vliv elektrických výbojů, tepla, radioaktivity nebo tvrdého UV záření na planetární atmosféry. Můžeme studovat chemické složení nebo chemické procesy na celé řadě různých planet – nejenom zemského typu,“ konstatuje dr. Martin Ferus.

Důležitým příspěvkem badatelů z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR k misi ARIEL je právě výzkum chemických procesů na laboratorní úrovni. Experimenty probíhající za přísně kontrolovaných podmínek totiž mohou poskytnout přesná data, která se dají využít pro velice komplikované modely planetární chemie a pomoci interpretovat nejen spektra, která ARIEL změří.

„Hodně času této mise bude věnováno také opakovanému pozorování planet a proměnám klimatu, roční doby atd. Všechna tato pozorování a jejich interpretace však vyžadují laboratorní data. A ta my jsme pomocí našich přístrojů schopni získat a poskytnout, aby následné výpočty vedly k rozklíčování, co se skutečně na dané planetě děje,“ pokračuje Martin Ferus.

Ve spolupráci s dalšími pracovišti AV ČR – Biofyzikálním ústavemÚstavem fyziky plazmatu, Fyzikálním ústavemAstronomickým ústavem – stejně jako s astronomickým ústavem v britské Cambridge či s University College London usilují vědci z Ústavu fyzikální chemie AV ČR o to, aby v okamžiku, kdy satelit v roce 2028 odstartuje, už měli k dispozici řadu laboratorních dat a vypracovaných modelů, s nimiž budou porovnávat data naměřená ve vesmíru: „Když ARIEL něco odpozoruje, aby se dalo už přímo vzít nějaké odpovídající spektrum, nějaká konkrétní data a říct: ano, na této planetě se děje to a to. Protože kdyby tomu bylo naopak – nejprve by přišlo pozorování a teprve poté se vyvíjely modely a měřilo v laboratoři, trvalo by to velice dlouho. Navíc se v tom skrývá i jedno velké nebezpečí: že se totiž něco zajímavého odpozoruje, ale zjistíte, že to bylo zajímavé, až dlouho po skončení mise. Nebudete už v jejím průběhu vědět, že se máte zaměřit na nějakou konkrétní planetu. Právě proto se snažíme už teď potřebná data generovat a pomoci připravit takové modely, které by byly použitelné okamžitě ve chvíli pozorování,“ objasňuje dr. Ferus.



Profesor Svatopluk Civiš doplňuje, že vědeckou část mise připravují teoretikové, kteří vycházejí z určitých standardních pohledů na klasickou chemii. „Ovšem díky tomu, že my v ÚFCHJH máme už téměř třicetiletou tradici s měřením nikoli stabilních, ale nestabilních molekul, které existují třeba miliontinu nebo několik miliontin vteřiny – a ty určitě ve vesmíru vznikají –, viděl bych náš přínos v zařazení těchto našich poznatků do projektu: že by se totiž hledání nemělo omezovat pouze na spektra stabilních molekul či částic, ale mělo by se rozšířit i na ty nestabilní, které žijí tak krátkou dobu a určitě se ve vesmíru objevují. Právě ony mohou představovat prekurzory, z nichž se mohou postupně vytvořit složitější systémy, třeba složitější organické molekuly, jež pak mohou být základem stavby něčeho složitějšího, i nějaké formy života.“    Přínos ústavu však může podle Svatopluka Civiše spočívat nejen ve schopnosti v laboratoři měřit a modelovat přesně ta spektra exoplanet, jejichž pozorování se očekává. Mohli by navíc prostřednictvím konsorcia projektu ARIEL, jehož jsou součástí, zprostředkovat i zapojení českých firem do vývoje nebo konstrukce satelitu.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, NASA