Данните от телескопа Джеймс Уеб са прекалено прецизни и за техният анализ са необходими нови компютърни модели

Екип изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) проведе ново проучване относно точността на данните изпращани от космическия телескоп Джеймс Уеб. Оказа,  се, че прецизността на тези данни е толкова висока, че сегашните компютърни модели, използвани от астрономите, вече не са подходящи за точното интерпретиране на наблюденията на Уеб.

Освен че Джеймс Уеб разкрива Вселената с безпрецедентна детайлност, той може да вижда много по-далечни космически обекти, каквито досега човечеството не е наблюдавало. Космическият прах не е пречка за неговите свръхдетайлни инфрачервени камери и той може да показва най-ранните структури на Вселената.

Представената миналата седмица от Масачузетския технологичен институт научна работа показва, че възможностите на сегашните инструменти, които астрономите използват за декодиране на светлинните сигнали вече не са достатъчни за точната интерпретация на данните подавани от новия космически телескоп. Така например, използваният в наши дни компютърен модел на непрозрачността, който емулира по какъв начин светлината взаимодейства с материята, изисква много по-тънка настройка, както и използването на нови алгоритми, за да може да обработи прецизните данни на новия космически телескоп.

Ако тези модели не бъдат подобрени и усъвършенствани, те няма да съответстват на точността и качеството на данните, идващи от JWST (James Webb Space Telescope). Това означава, че всички проучвания, базирани на намаляване използването на необработените данни  и работата със известна степен на закръгляне на данните, могат да доведат до ненадеждни резултати. Така например, свойствата на планетарните атмосфери, като например температурата, налягането и химическия състав, могат да бъдат сгрешени с цял един порядък.

Светлината и материята: компютърният модел на непрозрачността

Непрозрачността е мярката за лекотата, с която фотоните на светлината могат да преминават през материалите. При определени дължини на вълната фотоните могат директно да преминават през материята и да се абсорбират или отразяват в зависимост от това как (и дали) взаимодействат с определени молекули на веществото. Това взаимодействие зависи и от температурата и налягането на самия материал.

Моделът на непрозрачността е инструмент, който работи въз основа на различни предположения за това как светлината взаимодейства с материята. Астрономите използват различни модели на непрозрачност, за да направят изводи за определени свойства на дадено вещество или материал чрез спектъра на светлината, която материалът излъчва или поглъща. В контекста на екзопланетите например, даден модел на непрозрачност може да интерпретира вида и изобилието на химическите вещества в атмосферата на планетата въз основа на идващата от планетата светлина, уловена от телескопа.

Професор Джулиен де Вит (Julien de Wit), който е един от авторите на тази научна работа, заяви, че досега използваният модел на непрозрачност е свършил много добра работа при интерпретирането на данните, получени от досега използваните прибори, включително и космическия телескоп Хъбъл. Но проблемът е в това, че Хъбъл извършва наблюденията в оптичния и ултравиолетовия диапазон. От друга страна Джеймс Уеб прави голяма крачка напред – освен, че е изключително точен, той излиза извън пределите на космическия прах и сега използвания компютърен модел за непрозрачността не може да се справи с подобни данни, понеже той по съвсем друг начин отчита влиянието на космическия прах. Как да се направи точното разшифроване и интерпретиране на неговите данни?

Модификация на компютърния модел за по-детайлно интерпретиране на данните от Джеймс Уеб

Професор де Вит и неговите колеги са тествали най-често използвания компютърен модел за интерпретация на непрозрачността. След това те са се опитали да анализират и да разберат, какви точно атмосферни свойства ще достигне този модел, ако бъде модифициран по такъв начин, че се вземат предвид някои ограничения в нашето разбиране за взаимодействието на светлината с материята. Учените са създали осем подобни на него компютърни модела, които са тествани с помощта на синтетични спектри, генерирани с помощта на специален алгоритъм, които са смесени с реални спектри на наблюдавани атмосфери. Синтетичните спектри са създадени с точността, типична за космическия телескоп Джеймс Уеб.

На изображението по-долу е показано сравнението на синтетичните пропускателни спектри на горещата планета Юпитер, които биха могли да бъдат получени от уредите NIRSpec (Near InfraRed Spectrometer) и MIRI (Mid-InfraRed Instrument) на Джеймс Уеб за различните компютърни моделирания на непрозрачността, използвани при този анализ. Виждат се неслучайни различния с амплитуда от 20 до 50 ppm (части на милион) в сравнение със стандартния модел.

Оказа се, че при едни същи светлинни спектри различните компютърни модели дават съвършено различни прогнози за свойствата и състава на атмосферата на дадена планета. Учените стигнаха до извода, че ако се използват сегашните компютърни модели на непрозрачността към получените светлинни спектри, въпреки подобренията и тънката настройка на алгоритмите, те си остават недостатъчно чувствителни, за да могат да определят дали температурата на дадена планета е 300 градуса по Келвин или 600 К. Сега използваните математически и компютърни модели могат да определят дали атмосферният слой съдържа 5 или 25% от даден газ, което е съвсем неточно. Това са много съществени разлики, които не дават възможност да се определят биологичните особености на дадена екзопланета.

Неправилни модели или неточни резултати?

Резултатите от тези симулации показаха, че всеки един от новите компютърни модели е настроен за определен вид данни и не е подходящ за универсален анализ на получаваната от Джеймс Уеб информация. Възниква объркване – дали симулацията не е специално настроена за определен вид данни или данните не могат да се обработят с нито един от сегашните компютърни модели. В този случай учените от MIT нямат решение на възникналия проблем.

Те само дадоха някои идеи за усъвършенстване и подобряване на сегашните симулации на непрозрачността. Необходими са още много лабораторни изследвания и измервания, както и теоретични разчети за увеличаване на нашите познания за това, по какъв начин светлината взаимодейства с различните молекули и съответно, с различните химични вещества. Ние си мислим, че знаем достатъчно за условията на Земята, но когато става дума за атмосферите на други планети, всичко е съвсем различно.