Ateities tyrimai planetologijoje

Ateities tyrimai planetologijoje

Būsimos misijos, teleskopų pažanga ir teoriniai modeliai, gilinsiantys mūsų supratimą

1. Įvadas

Planetologija klesti dėl kosminių misijų, astronominių stebėjimų ir teorinio modeliavimo sąveikos. Kiekviena nauja tyrimų banga – ar tai zondas, apsilankantis nepažintose nykštukinėse planetose, ar pažangūs teleskopai, stebintys egzoplanetų atmosferas – suteikia duomenų, verčiančių mus tobulinti senus modelius ir kurti naujus. Kartu su technologiniais laimėjimais atsiveria ir naujos galimybės:

  • Tolimieji zondai gali ištirti nutolusias planetesimales, ledinius palydovus ar atokiausius Saulės sistemos pakraščius, gauti tiesioginių cheminių ir geofizinių duomenų.
  • Milžiniški teleskopai ir kitos kartos kosminiai stebėjimai leis geriau aptikti bei tirti egzoplanetų atmosferas, ieškant biosignatūrų.
  • Aukšto našumo skaičiavimai ir tobulesni skaitmeniniai modeliai suderina sukauptus duomenis, atkurdami visą planetų formavimosi ir evoliucijos kelią.

Šiame straipsnyje apžvelgiame reikšmingiausias misijas, instrumentus ir teorines kryptis, galinčias nulemti planetologijos raidą artimiausią dešimtmetį ir vėliau.

2. Būsimos ir dabartinės kosminės misijos

2.1 Vidinės Saulės sistemos objektai

  1. VERITAS ir DAVINCI+: NASA naujai pasirinktos misijos į Venerą – aukštos raiškos paviršiaus kartografavimas (VERITAS) ir atmosferos zondo nuleidimas (DAVINCI+). Jos turėtų atskleisti Veneros geologinę istoriją, artimą paviršiaus sudėtį bei galimą senovinį vandenyną ar gyvybingumo langą.
  2. BepiColombo: Jau pakeliui į Merkurijų, numatoma galutinė orbitos pradžia apie 2020-ųjų vidurį; bus atliktas detalesnis Merkurijaus paviršiaus sudėties, magnetinio lauko ir egzosferos tyrimas. Aiškinant, kaip Merkurijus susiformavo taip arti Saulės, atskleidžiama ir disko procesų ekstremaliose sąlygose esmė.

2.2 Išorinė Saulės sistema ir lediniai palydovai

  1. JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer): ESA vadovaujama misija tirti Ganimedą, Europą, Kalistą, atskleidžiant jų povandeninius vandenynus, geologiją bei galimą gyvybingumą. Išskridusi 2023 m., Jupiterį pasieks ~2031 m.
  2. Europa Clipper: NASA skirta Europos tyrimui, planuojama paleisti 2020-ųjų vidury. Darys daug praskridimų, tyrinės ledo sluoksnio storį, galimus požeminius vandenynus bei ieškos aktyvių pliūpsnių. Pagrindinis siekis – įvertinti Europos tinkamumą gyvybei.
  3. Dragonfly: NASA sraigtasparninis zondas į Titaną (Saturno stambų palydovą), startas 2027, atskridimas 2034 m. Skraidys tarp įvairių paviršiaus vietų, tirs Titano aplinką, atmosferą ir organiškai turtingą cheminę aplinką – galbūt analogišką ankstyvajai Žemei.

2.3 Mažieji kūnai ir toliau

  1. Lucy: Paleista 2021 m., lankys kelis Jupiterio Trojos asteroidus, tirdama senovinių planetesimalių likučius.
  2. Comet Interceptor: ESA projektas lauks ties Saulė–Žemė L2 tašku, kad pagautų „šviežią“ arba dinamiškai naują kometą, priartėjančią prie Saulės sistemos, leisdamas skubiai nuskristi ir atlikti praskridimą. Tai suteiktų galimybę ištirti nepakitusį ledą iš Orto debesies.
  3. Uranas/Neptūnas orbitiniai aparatai (siūlomi): Ledo milžinės tebėra menkai tyrinėtos, tik 1980-aisiais Voyager praskriejo. Ateities zondas galėtų tirti Uraną ar Neptūną, jų struktūrą, palydovus ir žiedus, svarbu norint suvokti milžinių formavimąsi ir ledo gausią sudėtį.

3. Naujos kartos teleskopai ir observatorijos

3.1 Antžeminiai milžinai

  • ELT (Extremely Large Telescope) Europoje, TMT (Thirty Meter Telescope) (JAV/Kanada/partneriai) ir GMT (Giant Magellan Telescope) Čilėje pakeis egzoplanetų vaizdavimą ir spektroskopiją su 20–30 metrų veidrodžiais, adaptiniais optiniais prietaisais ir koronografais. Tai padės ne tik detalizuoti Saulės sistemos kūnų vaizdus, bet ir tiesioginį egzoplanetų atmosferų tyrimą.
  • Naujos kartos spinduliuotės greičio spektrografai (ESPRESSO prie VLT, EXPRES, HARPS 3 ir kt.) sieks ~10 cm/s tikslumo, artėdami link „Žemės dvynių“ paieškos aplink Saulės tipo žvaigždes.

3.2 Kosminės misijos

  1. JWST (James Webb kosminis teleskopas), paleistas 2021 m. pabaigoje, jau renka išsamius egzoplanetų atmosferų spektrus, tobulindamas supratimą apie karštuosius Jupiterius, superžemes ir mažesnius T spektrinius analogus. Be to, vidutinių infraraudonųjų spindulių diapazonas leidžia stebėti dulkių ir molekulių požymius planetų formavimosi diskuose.
  2. Nancy Grace Roman Space Telescope (NASA, 2020-ųjų vid.), darys plataus lauko infraraudonųjų spindulių tyrimą, gal aptiks tūkstančius egzoplanetų per mikrolęšiavimą, ypač išorinių orbitų. Roman’o koronografinis instrumentas išbandys tiesioginės vaizdinės technologijas milžinėms planetoms.
  3. ARIEL (ESA, paleidimas ~2029) sistemingai tirs egzoplanetų atmosferas įvairiuose temperatūros ir dydžio diapazonuose. ARIEL tikslas – išnagrinėti šimtų egzoplanetų cheminę sudėtį, debesų savybes bei šiluminius profilius.

3.3 Būsimieji projektai

2030–2040 m. siūlomi vėlesni didieji projektai:

  • LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor) arba HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission) – kitos kartos teleskopai kosmose, skirti tiesiogiai vaizduoti į Žemę panašias egzoplanetas, ieškant, pvz., deguonies, ozono ar kitų atmosferinių dujų disbalansų.
  • Tarplanetiniai CubeSat’ai ar smalsat’ų konstelacijos, skirtos pigesniems daugelio objektų tyrimams, papildysiančios stambias misijas.

4. Teoriniai modeliai ir skaičiavimo proveržiai

4.1 Planetų formacija ir migracija

Aukšto našumo skaičiavimai leidžia kurti vis sudėtingesnes hidrodinamines protoplanetinių diskų simuliacijas. Jose įtraukiami magnetiniai laukai (MHD), radiacinė pernaša, dulkių-dujų sąveika (streaming instability) bei disko ir planetos grįžtamasis ryšys. Taip geriau modeliuojamos ALMA stebimos žiedų ir tarpų struktūros. Tai priartina teoriją prie realios egzoplanetų įvairovės, paaiškinant planetesimalių formavimą, branduolio akreciją ir diskinę migraciją.

4.2 Klimato ir tinkamumo gyvybei modeliavimas

Trimačiai pasaulių klimato modeliai (GCM) vis plačiau taikomi egzoplanetoms, įtraukiant įvairias žvaigždės spektrines ypatybes, sukimosi greičius, potvynių užsirakinimą ir sudėtingą atmosferos chemiją. Tokie tyrimai leidžia geriau numatyti, kurios egzoplanetos galėtų ilgai išlaikyti paviršinį vandenį esant skirtingam žvaigždės švitinimui ir šiltnamio dujų mišiniui. HPC klimato modeliai taip pat padeda interpretuoti egzoplanetų šviesos kreives ar spektrus, siejant teorinius klimatinius scenarijus su galimais stebėjimų ženklais.

4.3 Mašininis mokymasis ir duomenų analizė

Esant didžiuliems TESS, Gaia ir kitų misijų egzoplanetų duomenų kiekiams, mašininio mokymosi priemonės vis dažniau naudojamos kandidatams klasifikuoti, subtiliems tranzitų signalams aptikti ar žvaigždžių/planetų parametrams identifikuoti didžiuliuose masyvuose. Analogiškai, Saulės sistemos nuotraukų analizė (iš dabartinių misijų) mašininiu mokymusi gali aptikti vulkanizmo, kriovulkanizmo, žiedų lankų požymius, kurių tradiciniai metodai gal nepagautų.

5. Astrobiologija ir biosignatūrų paieška

5.1 Gyvybės tyrimas mūsų Saulės sistemoje

Europa, Enceladas, Titanas – šie lediniai palydovai svarbiausi in situ astrobiologiniams tyrimams. Tokios misijos, kaip Europa Clipper ar galimi Encelado zondai ar Titano tyrėjai, galėtų ieškoti biologinių procesų pėdsakų: sudėtingų organikų, neįprastų izotopų. Be to, būsimieji Marso pavyzdžių grąžinimo projektai siekia dar aiškiau atskleisti gyvybingumą Marso praeityje.

5.2 Egzoplanetų biosignatūros

Ateities teleskopai (ELT, ARIEL, LUVOIR/HabEx) planuoja tirti egzoplanetų atmosferų spektrus, ieškant biosignatūrų dujų (O2, O3, CH4 ir kt.). Įvairių bangos ilgių stebėjimai ar laikinė kaita gali rodyti fotocheminį disbalansą ar sezoniškus ciklus. Tyrėjai diskutuos dėl klaidingų signalų (pvz., abiotinis O2) ir ieškos naujų rodiklių (dujų derinių, paviršiaus atspindžio savybių).

5.3 Daugialypė „planetologija“?

Gravitacinės bangos planetų atžvilgiu – kol kas fantastiška idėja, tačiau elektromagnetinės stebėsenos jungimas su neutrinais ar kosminiais spinduliais teoriškai galėtų duoti papildomų kanalų. Realesnis būdas – sujungti spinduliuotės greičio, tranzitų, tiesioginio vaizdavimo ir astrometrijos duomenis planetų masėms, spinduliams, orbitoms ir atmosferoms geriau išnagrinėti – tai patvirtina daugiakanalės strategijos vertę nustatant gyvybingas egzoplanetas.

6. Perspektyvos tarpžvaigždinėms misijoms

6.1 Zondai į kitas žvaigždes?

Nors tai vis dar teorija, Breakthrough Starshot žvalgosi galimybės siųsti mažus lazeriu varomus burinius zondus į Alfa Kentauro ar Proksimos Kentauro sistemą, kad iš arti tyrinėtų egzoplanetas. Technologinių iššūkių daugybė, tačiau jei pavyktų, tai sukeltų revoliuciją planetologijoje už Saulės sistemos ribų.

6.2 Oumuamua tipo objektai

2017 m. aptikta ‘Oumuamua ir 2019 m. 2I/Borisov – tai tarpžvaigždiniai praskrendantys kūnai, rodantys naują epochą, kai galime stebėti laikinus svečius iš kitų žvaigždžių sistemų. Operatyvus spektroskopinis jų tyrimas leidžia palyginti kitų žvaigždžių sistemų planetesimalių cheminę sudėtį – netiesioginis, bet vertingas kitų pasaulių tyrimų būdas.

7. Ateities krypčių sintezė

7.1 Tarpdisciplininis bendradarbiavimas

Planetologija vis labiau apjungia geologiją, atmosferos fiziką, plazmos fiziką, astrochemiją ir astrofiziką. Misijose prie Titano ar Europos reikia geocheminių kompetencijų, o egzoplanetų atmosferų modeliams būtinos fotochemijos žinios. Integruotų komandų ir tarpdalykinių projektų svarba auga, apdorojant daugiamatiškus duomenų rinkinius.

7.2 Nuo dulkių disko iki galutinės planetų mirties

Galime apjungti protoplanetinių diskų stebėjimus (ALMA, JWST) su egzoplanetų gausa (TESS, spinduliuotės greitis) ir Saulės sistemos pavyzdžių grąžinimu (OSIRIS-REx, Hayabusa2). Taip apžvelgsime visą skalę nuo dulkių sankaupų iki susiformavusių brandžių planetų orbitų. Pasirodys, ar mūsų Saulės sistema tipiška ar unikali, taip gimstantys „universalūs“ planetų formavimosi modeliai.

7.3 Tinkamumo gyvybei išplėtimas už klasikinės paradigmos

Tobulesni klimato ir geologiniai modeliai gali įtraukti neįprastas sąlygas: povandeninius vandenynus dideliuose ledo palydovuose, storus vandenilio apvalkalus, leidžiančius turėti skysto vandens net už įprastos sniego linijos, ar potvynių įšildytus mini pasaulius arti mažų žvaigždžių. Tobulėjant stebėjimų metodams, „gyvybingumo“ sąvoka išsiplės toli už klasikinio „paviršinio skysto vandens“ apibrėžimo.

8. Išvada

Ateities tyrimai planetologijoje atsiduria itin viliojančiame taške. Misijos kaip Europa Clipper, Dragonfly, JUICE bei galimos Uranas/Neptūnas orbiterio idėjos – atvers naujus Saulės sistemos horizontus, giliau pažįstant vandeninius pasaulius, neįprastą palydovų geologiją ir ledo milžinių kilmę. Stebėjimo šuoliai (ELT, JWST, ARIEL, Roman) bei kita karta RV prietaisų ryškiau patobulins egzoplanetų paieškas: galėsime sistemingiau tirti mažesnes, labiau gyvybei tinkamas planetas ir tiksliau nustatyti jų atmosferų cheminę sudėtį. Teoriniai ir skaičiavimo progresai eis kartu, apimdami HPC varomas formavimosi simuliacijas, detalius klimato modelius, mašininio mokymosi metodus dideliems duomenims rūšiuoti.

Šių bendrų pastangų dėka, galime tikėtis atsakymų į dar likusias mįsles: kaip iš dulkių disko susidaro sudėtingos planetų sistemos? Kokie atmosferos požymiai rodo biologinį aktyvumą? Kaip dažnai pasitaiko Žemės ar Titano sąlygos Galaktikoje? Ar galėsime mūsų ar būsimosios kartos technologijomis pasiųsti tarpžvaigždinį zondą, kad iš arti pamatytume kitą planetinę sistemą? Ateities planetologijos perspektyva tik didės, žadėdama naujų įžvalgų apie tai, kaip visame kosmose atsiranda planetos ir pati gyvybė.

Nuorodos ir tolesnis skaitymas

  1. Morbidelli, A., Lunine, J. I., O’Brien, D. P., Raymond, S. N., & Walsh, K. J. (2012). “Building Terrestrial Planets.” Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 40, 251–275.
  2. Mamajek, E. E., et al. (2015). “Solar Nebula to Stellar Early Evolution (SONSEE).” In Protostars and Planets VI, University of Arizona Press, 99–116.
  3. Madhusudhan, N. (2019). “Exoplanetary Atmospheres: Key Insights, Challenges, and Prospects.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 57, 617–663.
  4. Winn, J. N., & Fabrycky, D. C. (2015). “The occurrence and architecture of exoplanetary systems.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 53, 409–447.
  5. Campins, H., & Morbidelli, A. (2017). “Asteroids and Comets.” In Handbook of Exoplanets, ed. H.J. Deeg, J.A. Belmonte, Springer, 773–808.
  6. Millholland, S., & Laughlin, G. (2017). “Obliquity variations of hot Jupiters on short timescales.” The Astrophysical Journal, 835, 148.
Grįžti į tinklaraštį