การศึกษา: นักดาราศาสตร์เสี่ยงที่จะตีความผิดสัญญาณดาวเคราะห์ในข้อมูลของเจมส์ เวบบ์

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) ของนาซ่ากำลังเผยให้เห็นจักรวาลด้วยความชัดเจนที่น่าตื่นตาตื่นใจอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน การมองเห็นด้วยอินฟราเรดที่คมชัดของหอดูดาวได้ตัดผ่านฝุ่นจักรวาลเพื่อให้แสงสว่างแก่โครงสร้างที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพ ควบคู่ไปกับเรือนเพาะชำดาวฤกษ์ที่บดบังก่อนหน้านี้และกาแล็กซีที่หมุนรอบตัวซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายร้อยล้านปีแสง

นอกเหนือจากการมองเห็นในจักรวาลได้ไกลกว่าที่เคยเป็นมา JWST จะจับภาพวัตถุในกาแลคซีของเราได้ครอบคลุมมากที่สุด กล่าวคือ ดาวเคราะห์บางดวงจาก 5,000 ดวงที่ถูกค้นพบในทางช้างเผือก นักดาราศาสตร์กำลังใช้ประโยชน์จากความแม่นยำในการแยกวิเคราะห์แสงของกล้องโทรทรรศน์เพื่อถอดรหัสชั้นบรรยากาศรอบ ๆ โลกใกล้เคียงเหล่านี้ คุณสมบัติของชั้นบรรยากาศของพวกมันสามารถให้เบาะแสว่าดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นได้อย่างไรและมันซ่อนสัญญาณแห่งชีวิตหรือไม่

แต่ผล การศึกษาใหม่ของ MIT ชี้ให้เห็นว่าเครื่องมือที่นักดาราศาสตร์มักใช้ในการถอดรหัสสัญญาณจากแสงอาจไม่ดีพอที่จะตีความข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์ใหม่ได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบบจำลองความทึบ ซึ่งเป็นเครื่องมือที่สร้างแบบจำลองว่าแสงโต้ตอบกับสสารในฐานะฟังก์ชันของคุณสมบัติของสสารอย่างไร อาจจำเป็นต้องปรับจูนใหม่อย่างมีนัยสำคัญเพื่อให้ตรงกับความแม่นยำของข้อมูล JWST นักวิจัยกล่าว

ถ้ารุ่นเหล่านี้ไม่กลั่น? นักวิจัยคาดการณ์ว่าสมบัติของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ เช่น อุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบธาตุ อาจลดลงตามลำดับความสำคัญ

Julien de Wit ผู้นำร่วมด้านการศึกษาของ MIT ผู้ช่วยศาสตราจารย์ในภาควิชา Earth, Atmospheric and Planetary Sciences ของ MIT กล่าวว่า “มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญทางวิทยาศาสตร์ระหว่างสารประกอบเช่นน้ำที่ร้อยละ 5 เทียบกับร้อยละ 25 ซึ่งแบบจำลองในปัจจุบันไม่สามารถแยกแยะได้ สพฐ.)

“ปัจจุบัน แบบจำลองที่เราใช้ถอดรหัสข้อมูลสเปกตรัมนั้นไม่สอดคล้องกับความแม่นยำและคุณภาพของข้อมูลที่เรามีจากกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์” Prajwal Niraula นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ EAPS กล่าวเสริม “เราจำเป็นต้องปรับปรุงเกมของเราและจัดการกับปัญหาความทึบด้วยกัน”

De Wit, Niraula และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาของพวกเขาในวันนี้ในNature Astronomy ผู้เขียนร่วม ได้แก่ ผู้เชี่ยวชาญด้านสเปกโทรสโกปี Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva และ Roman Kochanov จาก Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

เลเวลอัพ

ความทึบคือการวัดว่าโฟตอนผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใด โฟตอนของความยาวคลื่นบางช่วงสามารถทะลุผ่านวัสดุโดยตรง ถูกดูดกลืน หรือสะท้อนกลับออกมา ขึ้นอยู่กับว่าพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลภายในวัสดุหรือไม่และอย่างไร ปฏิกิริยานี้ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันของวัสดุด้วย

แบบจำลองความทึบทำงานบนพื้นฐานของสมมติฐานต่างๆ ว่าแสงมีปฏิสัมพันธ์กับสสารอย่างไร นักดาราศาสตร์ใช้แบบจำลองความทึบเพื่อให้ได้คุณสมบัติบางอย่างของวัสดุ โดยพิจารณาจากสเปกตรัมของแสงที่วัสดุนั้นปล่อยออกมา ในบริบทของคำอธิบาย แบบจำลองความทึบสามารถถอดรหัสประเภทและปริมาณสารเคมีในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้ โดยอิงจากแสงจากดาวเคราะห์ที่กล้องโทรทรรศน์จับได้

De Wit กล่าวว่าแบบจำลองความทึบที่ล้ำสมัยในปัจจุบัน ซึ่งเขาเปรียบเสมือนเครื่องมือแปลภาษาคลาสสิก ได้ทำงานที่ดีในการถอดรหัสข้อมูลสเปกตรัมที่ถ่ายโดยเครื่องมือต่างๆ เช่น อุปกรณ์บนกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

“จนถึงตอนนี้ Rosetta Stone นี้ทำงานได้ดี” de Wit กล่าว “แต่ตอนนี้เรากำลังก้าวไปสู่อีกระดับด้วยความแม่นยำของ Webb กระบวนการแปลของเราจะป้องกันไม่ให้เราจับรายละเอียดปลีกย่อยที่สำคัญ เช่น สิ่งที่สร้างความแตกต่างระหว่างดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่ได้หรือไม่”

เบา กระสับกระส่าย

เขาและเพื่อนร่วมงานชี้ประเด็นนี้ในการศึกษา ซึ่งพวกเขาได้นำแบบจำลองความทึบที่ใช้บ่อยที่สุดมาทดสอบ ทีมงานมองว่าโมเดลจะได้สมบัติของบรรยากาศแบบใด หากได้รับการปรับแต่งเพื่อให้เข้าใจถึงข้อจำกัดบางประการในการทำความเข้าใจว่าแสงและสสารมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองที่ “กระวนกระวาย” ดังกล่าวแปดแบบ จากนั้นพวกเขาก็ป้อนแต่ละโมเดล รวมทั้งเวอร์ชันจริง “สเปกตรัมสังเคราะห์” ซึ่งเป็นรูปแบบของแสงที่จำลองโดยกลุ่มและคล้ายกับความแม่นยำที่ JWST จะได้เห็น

พวกเขาพบว่าโดยอาศัยสเปกตรัมแสงเดียวกัน แบบจำลองที่ถูกรบกวนแต่ละแบบสร้างการคาดการณ์ในวงกว้างสำหรับคุณสมบัติของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ จากการวิเคราะห์ของพวกเขา ทีมงานสรุปว่า หากแบบจำลองความทึบที่มีอยู่ถูกนำไปใช้กับสเปกตรัมแสงที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์เว็บบ์ พวกเขาจะชน “กำแพงความแม่นยำ” กล่าวคือ พวกมันจะไม่อ่อนไหวมากพอที่จะบอกได้ว่าดาวเคราะห์มีอุณหภูมิบรรยากาศ 300 เคลวินหรือ 600 เคลวิน หรือก๊าซบางชนิดใช้ชั้นบรรยากาศ 5 เปอร์เซ็นต์หรือ 25 เปอร์เซ็นต์ของชั้นบรรยากาศ

Niraula กล่าวว่า “ความแตกต่างนั้นสำคัญสำหรับเราในการจำกัดกลไกการก่อตัวของดาวเคราะห์และระบุลักษณะทางชีวภาพได้อย่างน่าเชื่อถือ”

ทีมงานยังพบว่าแบบจำลองทุกแบบยังสร้าง “ความเหมาะสม” กับข้อมูลด้วย ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าแบบจำลองที่ก่อกวนจะสร้างองค์ประกอบทางเคมีที่นักวิจัยรู้ว่าไม่ถูกต้อง แต่ก็สร้างสเปกตรัมแสงจากองค์ประกอบทางเคมีที่อยู่ใกล้เคียง เพียงพอหรือ “พอดี” กับสเปกตรัมเดิม

“เราพบว่ามีพารามิเตอร์เพียงพอที่จะปรับแต่ง แม้จะผิดรุ่น ก็ยังได้พอดี หมายความว่าคุณจะไม่ทราบว่าแบบจำลองของคุณผิดและสิ่งที่บอกคุณนั้นผิด” De Wit อธิบาย

เขาและเพื่อนร่วมงานได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับวิธีการปรับปรุงแบบจำลองความทึบที่มีอยู่ รวมถึงความจำเป็นในการวัดในห้องปฏิบัติการและการคำนวณเชิงทฤษฎีเพิ่มเติมเพื่อปรับแต่งสมมติฐานของแบบจำลองว่าแสงและโมเลกุลต่างๆ มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร ตลอดจนการทำงานร่วมกันข้ามสาขาวิชาต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ระหว่างดาราศาสตร์กับสเปกโทรสโกปี

“เพื่อที่จะตีความสเปกตรัมจากชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบที่หลากหลายได้อย่างน่าเชื่อถือ เราจำเป็นต้องมีแคมเปญที่ครอบคลุมสำหรับการวัดและการคำนวณค่าพารามิเตอร์ทางสเปกโตรสโกปีโมเลกุลที่เกี่ยวข้องอย่างแม่นยำ” Iouli Gordon ผู้เขียนร่วมการศึกษากล่าว นักฟิสิกส์จาก Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics กล่าว “พารามิเตอร์เหล่านี้จะต้องถูกนำมาใช้อย่างทันท่วงทีในฐานข้อมูลสเปกโตรสโกปีอ้างอิงและแบบจำลองที่ใช้โดยนักดาราศาสตร์”

“มีอะไรมากมายที่สามารถทำได้ถ้าเรารู้ดีว่าแสงและสสารมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร” Niraula กล่าวเสริม “เราทราบดีเพียงพอเกี่ยวกับสภาพของโลก แต่ทันทีที่เราย้ายไปยังชั้นบรรยากาศประเภทต่างๆ สิ่งต่าง ๆ ก็เปลี่ยนไป และนั่นเป็นข้อมูลจำนวนมาก เมื่อคุณภาพเพิ่มขึ้น เราก็เสี่ยงที่จะตีความผิด”

หน้าแรก