Chemia atmosfer planetarnych na kartce papieru

dnia 25/07/2016
Wizja artystyczna egzoplanety podobnej do Ziemi. Źródło: ESO

Wizja artystyczna egzoplanety podobnej do Ziemi. Źródło: ESO

Zazwyczaj komputery przyspieszają obliczenia. Jednak dzięki nowemu podejściu, korzystając jedynie z kartki i długopisu Kevin Heng z Uniwersytetu w Bernie w Szwajcarii otrzymuje wyniki tysiące razy szybciej niż przy wykorzystaniu kodu komputerowego. Astrofizyk oblicza obfitość cząsteczek w atmosferach egzoplanet. Tego typu informacji pozwalają naukowcom ustalić czy cechy charakterystyczne widma atmosfery spowodowane są czynnikami fizycznymi, geologicznymi czy biologicznymi.

Dzięki swoim zaawansowanym instrumentom, astronomowie są w stanie dzisiaj nie tylko wykrywać egzoplanety krążące wokół odległych gwiazd, lecz także badać atmosfery niektórych z nich. Aby dowiedzieć się czego mogą się po nich spodziewać, a kiedy wyniki zaskakują, teoretycy obliczają oczekiwaną obfitość cząsteczkową. Kevin Heng, dyrektor Center of Space and Habitability (CSH) na Uniwersytecie w Bernie, jest ekspertem w tego typu obliczeniach. „Słońce – jak i wszystkie inne gwiazdy – posiadają bardzo określone proporcje pierwiastków chemicznych takich jak wodór, węgiel, tlen czy azot,” tłumaczy: „A wiele wskazuje, że planety tworzą się z tej samej materii co gwiazdy.” Jednak podczas gdy w gwiazdach pierwiastki istnieją w formie atomowej, to przy niższych atmosferach panujących w atmosferach egzoplanet, łączą się w różne związki i cząsteczki – w zależności od temperatury i ciśnienia.

W niskich temperaturach, głównym nośnikiem atomów węgla jest metan (CH4), w wysokich natomiast tlenek węgla (CO). Sieć możliwych reakcji chemicznych jest dobrze znana lecz bardzo rozległa. Dlatego też konwencjonalne obliczenia są bardzo złożone i bardzo czasochłonne. „Udało mi się znaleźć sposób, aby zrobić to dużo szybciej rozwiązując 99% problemu na papierze, nawet przed włączeniem komputera,” mówi Kevin Heng. „Zwyczajowo trzeba rozwiązać układ równań nieliniowych, jednak udało mi się zredukować ten problem do rozwiązania jednego wielomianu.” W ten sposób wyniki można osiągnąć wielokrotnie szybciej niż za pomocą komputera.

„Odkrycie możliwości tego rozwiązania zajęło mi kilka miesięcy,” mówi astrofizyk. W międzyczasie powstały dwa artykuły naukowe opisujące podstawy całego podejścia, które zostało szczegółowo opisane w trzecim artykule, który właśnie został zaakceptowany do publikacji w periodyku Astrophysical Journal. „Ten swego rodzaju przełom zasadniczo redukuje główną część programu do jednej linijki kodu. Teraz możemy obliczyć skład chemiczny atmosfery w 0,01 s (10 milisekund) zamiast kilku minut.” Wykres przedstawiający krzywe względnej obfitości różnych cząsteczek, takich jak metan, tlenek węgla, woda czy amoniak do temperatury doskonale przedstawia potencjał nowej metody. „Praktycznie nie można odróżnić tego wykresu od wykresu generowanego za pomocą skomplikowanego kodu komputerowego,” podsumowuje naukowiec. Nic dziwnego zatem, że artykuł wprowadził sporo zamieszania w społeczności ekspertów jeszcze przed oficjalną publikacją.

Nowa metoda analityczna niesie za sobą kilka implikacji. Ogromne przyspieszenie obliczeń pozwala na dokładniejsze i skuteczniejsze poszukiwanie ciekawych widm atmosfer planet pozasłonecznych. Dla Henga istotny jest także element „demokratyczny”: „Teraz każdy astronom na całym świecie z łatwością będzie w stanie obliczyć skład chemiczny atmosfery egzoplanety. Nie będzie do tego potrzebne zaawansowane oprogramowanie komputerowe. Cieszy mnie fakt, że ta wiedza będzie teraz dostępna dla każdego naukowca na świecie.”

Obserwując atmosfery egzoplanet naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się w jaki sposób te obiekty powstały i jakie procesy wciąż w nich zachodzą. Chemia atmosfer pozwala nam określić nietypowe obiekty, tam gdzie skład chemiczny jest inny niż oczekiwany. Różnice między obliczoną, a obserwowaną obfitością cząsteczek może doprowadzić nas do odkrycia aktywnych procesów geologicznych czy nawet biologicznych. „Być może w ciągu 20-30 kolejnych lat wpatrywania się w atmosfery egzoplanet zawierające wodę, tlen, ozon i inne cząsteczki, będziemy mogli zadać pytanie: czy na którejś z nich nie ma życia,” mówi Kevin Heng. „Najpierw będziemy jednak musieli określić czy obserwowane dane nie są wytłumaczalne przez procesy fizyczne lub geologiczne.”

Źródło: University of Bern

Dodaj komentarz