Ateities tyrimai planetologijoje

Nākotnes pētījumi planetoloģijā

Nākotnes misijas, teleskopu attīstība un teorētiskie modeļi, kas padziļina mūsu izpratni

1. Ievads

Planetoloģija plaukst pateicoties kosmiskajām misijām, astronomiskajiem novērojumiem un teorētiskajai modelēšanai. Katra jauna pētījumu viļņa – vai tā būtu zonde, kas apmeklē nepazīstamas pundurplanētas, vai progresīvi teleskopi, kas novēro eksoplanētu atmosfēras – sniedz datus, kas liek mums pilnveidot vecos modeļus un radīt jaunus. Kopā ar tehnoloģiskajiem sasniegumiem atveras arī jaunas iespējas:

  • Tālās zondes var izpētīt attālas planētas, ledus pavadoņus vai tālākos Saules sistēmas apgabalus, iegūstot tiešus ķīmiskos un ģeofizikālos datus.
  • Milzīgi teleskopi un nākamās paaudzes kosmiskie novērojumi ļaus labāk atklāt un pētīt eksoplanētu atmosfēras, meklējot biosignālus.
  • Augstas veiktspējas aprēķini un pilnveidoti digitālie modeļi apvieno savāktos datus, atjaunojot visu planētu veidošanās un evolūcijas ceļu.

Šajā rakstā apskatām nozīmīgākās misijas, instrumentus un teorētiskās virzienus, kas var noteikt planetoloģijas attīstību tuvākajā desmitgadē un vēlāk.

2. Nākotnes un pašreizējās kosmiskās misijas

2.1 Iekšējās Saules sistēmas objekti

  1. VERITAS un DAVINCI+: NASA nesen izvēlētās misijas uz Veneru – augstas izšķirtspējas virsmas kartēšana (VERITAS) un atmosfēras zondes nolaidšana (DAVINCI+). Tās atklās Veneras ģeoloģisko vēsturi, tuvāko virsmas sastāvu un iespējamo seno okeānu vai dzīvotspējas logu.
  2. BepiColombo: Jau ceļā uz Merkuru, plānota galvenās orbītas sākšana ap 2020. gadu vidu; tiks veikta detalizētāka Merkura virsmas sastāva, magnētiskā lauka un egzosfēras izpēte. Izpētot, kā Merkurs veidojās tik tuvu Saulei, tiek atklāta arī diska procesu būtība ekstrēmos apstākļos.

2.2 Ārējā Saules sistēma un ledus pavadoņi

  1. JUICE (Jupitera ledainā mēness izpētes kuģis): ESA vadīta misija pētīt Ganimēdu, Eiropu, Kalistu, atklājot to zemūdens okeānus, ģeoloģiju un iespējamo dzīvotspēju. Izlidojusi 2023. gadā, Jupiteri sasniegs ap ~2031. gadu.
  2. Europa Clipper: NASA misija Eiropas izpētei, plānota palaist 2020. gadu vidū. Veiks daudzus pārlidojumus, pētīs ledus slāņa biezumu, iespējamos pazemes okeānus un meklēs aktīvus gejzerus. Galvenais mērķis – novērtēt Eiropas piemērotību dzīvībai.
  3. Dragonfly: NASA helikoptera zonde uz Titānu (Saturna lielo pavadoņu), starts 2027, ierašanās 2034. Gaidāms lidojums starp dažādām virsmas vietām, pētīs Titāna vidi, atmosfēru un organiskām vielām bagāto ķīmisko vidi – iespējams, līdzīgu agrīnajai Zemei.

2.3 Mazie ķermeņi un turpmāk

  1. Lucy: Palaista 2021. gadā, apmeklēs vairākus Jupitera Trojas asteroīdus, pētot senās planetesimālu atliekas.
  2. Comet Interceptor: ESA projekts gaidīs Saules–Zemes L2 punktā, lai noķertu "svaigu" vai dinamiski jaunu komētu, kas tuvojas Saules sistēmai, ļaujot ātri veikt pārlidojumu. Tas sniegtu iespēju izpētīt nemainīgu ledu no Orta mākņa.
  3. Urāna/Neptūna orbītālie aparāti (plānoti): Ledo milži joprojām ir maz pētīti, tikai 1980. gados tos apmeklēja Voyager. Nākotnes zonde varētu izpētīt Urānu vai Neptūnu, to struktūru, pavadoņus un gredzenus, kas ir svarīgi, lai saprastu milžu veidošanos un ledus bagāto sastāvu.

3. Nākamās paaudzes teleskopi un observatorijas

3.1 Zemes virsmas milži

  • ELT (Ļoti Lielais teleskops) Eiropā, TMT (Trīsdesmit metru teleskops) (ASV/Kanāda/partneri) un GMT (Milzu Magelāna teleskops) Čīlē mainīs eksoplanētu attēlošanu un spektroskopiju ar 20–30 metru spoguļiem, adaptīvajiem optiskajiem instrumentiem un koronogrāfiem. Tas palīdzēs ne tikai detalizēt Saules sistēmas ķermeņu attēlus, bet arī tieši pētīt eksoplanētu atmosfēras.
  • Nākamās paaudzes radiālas ātruma spektrografi (ESPRESSO pie VLT, EXPRES, HARPS 3 u.c.) tieksies sasniegt ~10 cm/s precizitāti, tuvojoties "Zemes dvīņu" meklējumiem ap Saules tipa zvaigznēm.

3.2 Kosmiskās misijas

  1. JWST (Džeimsa Veba kosmiskais teleskops), palaists 2021. gada beigās, jau vāc detalizētus eksoplanētu atmosfēru spektrus, uzlabojot izpratni par karstajiem Jupiteriem, superzemēm un mazākiem T spektra analogiem. Turklāt vidējā infrasarkanā diapazona novērojumi ļauj pētīt putekļu un molekulu pazīmes planētu veidošanās diskos.
  2. Nensijas Greisas Romana Kosmiskais teleskops (NASA, 2020. gadu vidus) veiks plaša lauka infrasarkano starojuma izpēti, iespējams, atklājot tūkstošiem eksoplanētu caur mikrolēcu efektu, īpaši ārējās orbītās. Romana koronogrāfiskais instruments izmēģinās tiešās attēlveidošanas tehnoloģijas milzu planētām.
  3. ARIEL (ESA, palaišana ap 2029. gadu) sistemātiski pētīs eksoplanētu atmosfēras dažādos temperatūras un izmēru diapazonos. ARIEL mērķis ir izpētīt simtiem eksoplanētu ķīmisko sastāvu, mākoņu īpašības un siltuma profilus.

3.3 Nākotnes projekti

2030.–2040. gados plānotie nākamie lielie projekti:

  • LUVOIR (Large UV/Optical/IR Surveyor) vai HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission) – nākamās paaudzes teleskopi kosmosā, paredzēti tiešai uz Zemi līdzīgu eksoplanētu attēlošanai, meklējot, piemēram, skābekļa, ozona vai citu atmosfēras gāzu disbalansus.
  • Starplanētu CubeSat vai smalsat konstelācijas, kas paredzētas lētākiem daudzu objektu pētījumiem, papildinās lielās misijas.

4. Teorētiskie modeļi un aprēķinu sasniegumi

4.1 Planētu veidošanās un migrācija

Augstas veiktspējas aprēķini ļauj veidot arvien sarežģītākas hidrodinamiskās protoplanētu disku simulācijas. Tajās tiek iekļauti magnētiskie lauki (MHD), radiācijas pārnese, putekļu-gāzu mijiedarbība (streaming instability) un diska un planētas atgriezeniskā saite. Tā labāk tiek modelētas ALMA novērotās gredzenu un spraugu struktūras. Tas pietuvina teoriju reālajai eksoplanētu daudzveidībai, skaidrojot planetesimālu veidošanos, kodola akreciju un diska migrāciju.

4.2 Klimata un dzīvotspējas modelēšana

Trīsdimensiju pasaules klimata modeļi (GCM) arvien plašāk tiek pielietoti eksoplanētām, iekļaujot dažādas zvaigznes spektrālās īpatnības, rotācijas ātrumus, paisuma bloķēšanu un sarežģītu atmosfēras ķīmiju. Šādi pētījumi ļauj labāk prognozēt, kuras eksoplanētas varētu ilgstoši saglabāt virsmas ūdeni pie dažādiem zvaigznes apgaismojuma un siltumnīcefekta gāzu maisījuma apstākļiem. HPC klimata modeļi arī palīdz interpretēt eksoplanētu gaismas līknes vai spektrus, sasaistot teorētiskos klimata scenārijus ar iespējamiem novērojumu rādītājiem.

4.3 Mašīnmācīšanās un datu analīze

Ņemot vērā milzīgos TESS, Gaia un citu misiju eksoplanētu datu apjomus, mašīnmācīšanās rīki arvien biežāk tiek izmantoti kandidātu klasifikācijai, smalku tranzītu signālu atklāšanai vai zvaigžņu/planētu parametru identifikācijai milzīgos masīvos. Līdzīgi, Saules sistēmas attēlu analīze (no pašreizējām misijām) ar mašīnmācīšanos var atklāt vulkanisma, kriovulkanisma, gredzenu loku pazīmes, kuras tradicionālās metodes varbūt nepamanītu.

5. Astrobioloģija un biosignālu meklēšana

5.1 Dzīvības izpēte mūsu Saules sistēmā

Europa, Encelads, Titans – šie ledainie pavadoņi ir svarīgākie in situ astrobioloģiskajiem pētījumiem. Tādas misijas kā Europa Clipper vai iespējamie Encelada zondi vai Titāna pētnieki varētu meklēt bioloģisko procesu pēdas: sarežģītas organiskās vielas, neparastus izotopus. Turklāt nākotnes Marsa paraugu atgriešanas projekti cenšas vēl skaidrāk atklāt dzīvotspēju Marsa pagātnē.

5.2 Eksoplanētu biosignatūras

Nākotnes teleskopi (ELT, ARIEL, LUVOIR/HabEx) plāno pētīt eksoplanētu atmosfēru spektrus, meklējot biosignatūru gāzes (O2, O3, CH4 u.c.). Dažādu viļņu garumu novērojumi vai laika izmaiņas var norādīt uz fotohīmisku disbalansu vai sezonāliem cikliem. Pētnieki diskutēs par viltus signāliem (piemēram, abiotisks O2) un meklēs jaunus indikatorus (gāzu kombinācijas, virsmas atstarošanas īpašības).

5.3 Daudzdimensionāla “planetoloģija”?

Gravitācijas viļņi attiecībā uz planētām – pagaidām fantastiska ideja, taču elektromagnētiskās novērošanas apvienošana ar neitriņiem vai kosmiskajiem stariem teorētiski varētu sniegt papildu kanālus. Reālāks veids ir apvienot starojuma ātruma, tranzītu, tiešās attēlošanas un astrometrijas datus, lai labāk izpētītu planētu masas, rādiusus, orbītas un atmosfēras – tas apstiprina daudzkanālu stratēģijas vērtību dzīvotspējīgu eksoplanētu noteikšanā.

6. Starpzvaigžņu misiju perspektīvas

6.1 Zondi uz citām zvaigznēm?

Lai gan tas joprojām ir teorētiski, Breakthrough Starshot izpēta iespēju sūtīt nelielus lāzera dzinējus buru zondus uz Alfa Kentauro vai Proksimas Kentauro sistēmu, lai tuvumā pētītu eksoplanētas. Tehnoloģiskie izaicinājumi ir daudzi, taču, ja tas izdotos, tas radītu revolūciju planetoloģijā ārpus Saules sistēmas robežām.

6.2 Oumuamua tipa objekti

2017. gadā atklātais ‘Oumuamua un 2019. gadā 2I/Borisov ir starpzvaigžņu pārlidojoši objekti, kas iezīmē jaunu laikmetu, kad varam novērot īslaicīgus viesus no citām zvaigžņu sistēmām. Operatīva to spektrāla izpēte ļauj salīdzināt citu zvaigžņu sistēmu planetesimālo ķīmisko sastāvu – netiešs, bet vērtīgs citu pasauli pētīšanas veids.

7. Nākotnes virzienu sintēze

7.1 Starpdisciplināra sadarbība

Planetoloģija arvien vairāk apvieno ģeoloģiju, atmosfēras fiziku, plazmas fiziku, astroķīmiju un astrofiziku. Misijās pie Titāna vai Eiropas nepieciešamas ģeohīmiskās kompetences, bet eksoplanētu atmosfēru modeļiem ir vajadzīgas fotohīmijas zināšanas. Integrētu komandu un starpdisciplināru projektu nozīme pieaug, apstrādājot daudzdimensionālus datu kopumus.

7.2 No putekļu diska līdz planētu galīgajai nāvei

Mēs varam apvienot protoplanētu disku novērojumus (ALMA, JWST) ar eksoplanētu daudzumu (TESS, starojuma ātrums) un Saules sistēmas paraugu atgriešanu (OSIRIS-REx, Hayabusa2). Tā mēs apskatīsim visu mērogu no putekļu krājumiem līdz nobriedušu planētu orbītām. Tiks noskaidrots, vai mūsu Saules sistēma ir tipiska vai unikāla, radot "universālus" planētu veidošanās modeļus.

7.3 Dzīvotspējas paplašināšana ārpus klasiskās paradigmas

Uzlabotie klimata un ģeoloģiskie modeļi var iekļaut neparastus apstākļus: zemūdens okeānus lielos ledus pavadoņos, biezus ūdeņraža apvalkus, kas ļauj saglabāt šķidru ūdeni pat ārpus parastās sniega līnijas, vai paisuma sildītas mini pasaules tuvu mazām zvaigznēm. Uzlabojoties novērojumu metodēm, “dzīvotspējas” jēdziens paplašinās tālu ārpus klasiskā “virsmas šķidrā ūdens” definējuma.

8. Secinājums

Nākotnes pētījumi planetoloģijā atrodas ļoti vilinošā punktā. Misijas kā Europa Clipper, Dragonfly, JUICE un iespējamās Urāna/Neptūna orbiteru idejas atvērs jaunus Saules sistēmas apvāršņus, dziļāk iepazīstot ūdens pasaules, neparasto pavadoņu ģeoloģiju un ledus milžu izcelsmi. Novērojumu lēcieni (ELT, JWST, ARIEL, Roman) un nākamās paaudzes RV instrumenti ievērojami uzlabos eksoplanētu meklēšanu: mēs varēsim sistemātiskāk pētīt mazākas, dzīvībai piemērotākas planētas un precīzāk noteikt to atmosfēru ķīmisko sastāvu. Teorētiskie un skaitļošanas progresi ies roku rokā, aptverot HPC darbinātas veidošanās simulācijas, detalizētus klimata modeļus un mašīnmācīšanās metodes lielu datu kārtošanai.

Pateicoties šīm kopīgajām pūlēm, mēs varam cerēt uz atbildēm uz vēl neatrisinātajiem noslēpumiem: kā no putekļu diska veidojas sarežģītas planētu sistēmas? Kādi atmosfēras rādītāji liecina par bioloģisko aktivitāti? Cik bieži Galaktikā sastopamas Zemes vai Titāna apstākļi? Vai mēs vai nākamās paaudzes tehnoloģijas spēs nosūtīt starpzvaigžņu zondi, lai tuvumā apskatītu citu planētu sistēmu? Nākotnes planetoloģijas perspektīvas tikai pieaugs, solot jaunas atziņas par to, kā visā kosmosā rodas planētas un dzīvība.

Saites un turpmākā lasīšana

  1. Morbidelli, A., Lunine, J. I., O’Brien, D. P., Raymond, S. N., & Walsh, K. J. (2012). “Zemes tipa planētu veidošana.” Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 40, 251–275.
  2. Mamajek, E. E., et al. (2015). “Saules miglāja līdz zvaigžņu agrīnai attīstībai (SONSEE).” Grāmatā Protostars and Planets VI, University of Arizona Press, 99–116.
  3. Madhusudhan, N. (2019). “Eksoplanētu atmosfēras: galvenie atklājumi, izaicinājumi un perspektīvas.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 57, 617–663.
  4. Winn, J. N., & Fabrycky, D. C. (2015). “Eksoplanētu sistēmu sastopamība un arhitektūra.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 53, 409–447.
  5. Campins, H., & Morbidelli, A. (2017). “Asteroīdi un komētas.” Grāmatā Handbook of Exoplanets, red. H.J. Deeg, J.A. Belmonte, Springer, 773–808.
  6. Millholland, S., & Laughlin, G. (2017). “Karsto Jupitera noviržu maiņas īsos laika posmos.” The Astrophysical Journal, 835, 148.
Atgriezties emuārā