Teleskop LIFE melewati yang pertama

Kita tahu ada ribuan exoplanet di luar sana dan jutaan lainnya menunggu untuk ditemukan. Namun sebagian besar exoplanet tidak dapat dihuni. Untuk beberapa spesies yang mungkin layak huni, kita hanya dapat menentukan apakah mereka layak huni dengan memeriksa atmosfernya. LIFE, Interferometer Besar untuk Exoplanet, dapat membantu.

Pencarian tanda biologis di planet ekstrasurya yang berpotensi layak huni semakin intensif. JWST telah berhasil mengumpulkan beberapa spektrum atmosfer dari atmosfer planet ekstrasurya, tetapi masih banyak tugas lain dan pengamatan waktu yang sangat dibutuhkan. Sebuah teleskop luar angkasa yang direncanakan bernama LIFE didedikasikan untuk mencari tanda-tanda biologis dari planet ekstrasurya, dan para peneliti baru-baru ini mengujinya: dapatkah teleskop tersebut mendeteksi tanda-tanda biologis Bumi?

Sebagai interferometer, LIFE terdiri dari lima teleskop terpisah yang akan bekerja sama untuk memperluas ukuran kerja teleskop. LIFE dikembangkan oleh ETH Zurich (Institut Teknologi Federal Zurich) di Swiss. LIFE akan mengamati di wilayah inframerah-tengah, di mana garis spektral bahan kimia bioindikator penting ozon, metana, dan dinitrogen oksida dapat ditemukan.

LIFE akan berlokasi di Lagrange Point 2, sekitar 1,5 juta km (1 juta mil) jauhnya, di mana JWST juga berlokasi. Dari sana, ia akan mengamati daftar target planet ekstrasurya dengan harapan menemukan tanda biologisnya. “Tujuan kami adalah mendeteksi senyawa kimia dalam spektrum cahaya yang mengindikasikan kehidupan di exoplanet,” jelas Sascha Quanz, profesor exoplanet dan kelayakhunian di ETH Zurich, yang memimpin inisiatif LIFE.

Spektrum transmisi gas panas dari planet ekstrasurya raksasa WASP-39 b, yang ditangkap oleh Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) JWST pada 10 Juli 2022, mengungkap bukti definitif pertama keberadaan karbon dioksida di atmosfer planet ekstrasurya. Itu adalah hasil yang menggembirakan, namun hanya sekedar contoh dari apa yang akan kita pelajari dari HIDUP. Ucapan Terima Kasih: NASA, ESA, CSA dan L. Hustak (STScI). Sains: Tim Sains Rilis Awal Komunitas Exoplanet Transiting JWST

HIDUP masih sebatas konsep, dan peneliti ingin menguji kinerjanya. Karena belum dibangun, tim peneliti menggunakan atmosfer bumi sebagai uji coba. Mereka memperlakukan Bumi seolah-olah itu adalah sebuah planet ekstrasurya dan menguji metode LIFE terhadap spektrum atmosfer Bumi yang diketahui dalam berbagai kondisi. Mereka menggunakan alat yang disebut LIFEsim untuk bekerja dengan data. Peneliti sering menggunakan data simulasi untuk menguji kemampuan misi, namun dalam kasus ini mereka menggunakan data nyata.

Hasilnya dipublikasikan di The Astronomical Journal. Penelitian tersebut diberi nama “Large Interferometer for Exoplanets (LIFE). XII. Deteksi Batu Penjuru Tanda Tangan Biologis di Inframerah Tengah – Mengendus Gas Tertawa Eksoplanet dan Halogen Metilasi. Penulis utama adalah Dr. Daniel Angerhausen, ahli astrofisika dan astrobiologi di ETH Zurich.

Dalam skenario dunia nyata, Bumi hanyalah sebuah gumpalan yang jauh dan hampir mustahil untuk dilihat. Yang dilihat HIDUP hanyalah spektrum atmosfer planet, yang akan berubah seiring waktu tergantung pada pemandangan yang ditangkap teleskop dan, yang terpenting, berapa lama teleskop mengamatinya.

Spektrum ini akan terakumulasi seiring berjalannya waktu, dan ini menimbulkan pertanyaan penting: bagaimana pengamatan geometri dan variasi musiman mempengaruhi pengamatan LIFE?

Untungnya bagi tim peneliti, kami memiliki banyak observasi Bumi untuk dikerjakan. Para peneliti bekerja dengan tiga geometri observasi yang berbeda: dua pemandangan dari kutub dan satu dari wilayah khatulistiwa. Dari ketiga sudut pandang ini, mereka menggunakan data atmosfer dari bulan Januari dan Juli, yang mewakili fluktuasi musiman terbesar.

Meskipun atmosfer planet bisa sangat kompleks, para ahli astrobiologi fokus pada aspek-aspek tertentu untuk mengungkap potensi sebuah planet untuk menampung kehidupan. Yang menarik adalah bahan kimia N20, CH3Cl, dan CH3Br (nitrous oksida, klorometana, dan bromometana), yang semuanya dapat diproduksi secara biogenik. “Kami menggunakan serangkaian skenario yang berasal dari model kinetika kimia yang mensimulasikan respons atmosfer terhadap berbagai tingkat produksi biogenik N2O, CH3Cl, dan CH3Br di atmosfer planet kebumian yang kaya O2 untuk menghasilkan model maju bagi perangkat lunak simulator pengamatan LIFEsim kami. ” tulis para penulis.

Secara khusus, para peneliti ingin mengetahui apakah LIFE mampu mendeteksi CO2, air, ozon, dan metana di planet Bumi dari jarak sekitar 30 tahun cahaya. Ini adalah tanda-tanda iklim dunia yang mendukung kehidupan – terutama ozon dan metana, yang dihasilkan oleh kehidupan di Bumi – jadi jika LIFE dapat mendeteksi kimia biologis di Bumi dengan cara ini, maka LIFE dapat mendeteksinya di dunia lain.

LIFE mampu mendeteksi CO2, air, ozon, dan metana di Bumi. Ia juga menemukan beberapa keadaan permukaan yang mengindikasikan air cair. Menariknya, hasil LIFE tidak bergantung pada sudut pandang Bumi. Hal ini penting karena kita tidak tahu dari sudut mana HIDUP akan mengamati planet ekstrasurya.

Masalah lainnya adalah fluktuasi musiman, yang tidak mudah untuk diamati. Tapi untungnya, sepertinya hal itu tidak menjadi faktor pembatas. “Meskipun musiman atmosfer tidak mudah diamati, penelitian kami menunjukkan bahwa misi luar angkasa generasi berikutnya dapat menilai apakah exoplanet beriklim sedang di dekat terestrial dapat dihuni atau bahkan dihuni,” kata Quanz.

Namun, deteksi bahan kimia yang diinginkan saja tidak cukup. Berapa lama waktu yang dibutuhkan sangatlah penting. Membangun interferometer berbasis ruang angkasa untuk mendeteksi bahan kimia ini, namun akan memakan waktu terlalu lama, tidak praktis dan efisien. “Kami menggunakan hasilnya untuk mendapatkan waktu observasi yang diperlukan untuk mendeteksi skenario ini dan menggunakannya untuk menentukan persyaratan sains misi,” tulis tim peneliti dalam makalah mereka.

Untuk memberikan gambaran yang lebih besar tentang waktu pengamatan LIFE, para ilmuwan membuat daftar target. Mereka menghasilkan “… distribusi jarak HZ planet-planet dengan jari-jari antara 0,5 dan 1,5 jari-jari Bumi di sekitar bintang tipe M dan FGK dalam jarak 20 pc dari Matahari yang dapat dideteksi oleh LIFE”. Data untuk target tersebut berasal dari NASA dan penelitian lain sebelumnya.

Gambar dari penelitian ini mengilustrasikan daftar tujuan. Panel di sebelah kiri menunjukkan planet-planet di sekitar bintang katai M berdasarkan jarak. Ini menunjukkan jumlah prediksi target planet untuk tiga zona layak huni yang berbeda: kandidat optimis, konservatif, dan ekso-Bumi. Panel di sebelah kanan menunjukkan hal yang sama tetapi untuk bintang tipe F, G dan K. Kredit Gambar: Angerhausen dkk. 2024.

Hasilnya menunjukkan bahwa untuk beberapa target, hanya beberapa hari saja sudah cukup, sedangkan untuk target lainnya, diperlukan waktu hingga 100 hari agar jumlah yang relevan muncul.

Apa yang disebut tim sebagai “target emas” adalah yang paling mudah diamati. Planet-planet di Proxima Centauri adalah contoh target semacam ini. Planet-planet ini hanya membutuhkan observasi beberapa hari. Diperlukan waktu sekitar sepuluh hari pengamatan dengan LIFE untuk mengamati “skenario standar tertentu, seperti planet Bumi beriklim sedang di sekitar bintang M di lima komputer,” tulis para peneliti. Kasus paling menantang yang masih mungkin dilakukan adalah eksoplanet, yaitu planet kembar Bumi yang berjarak sekitar 5 parsec. Berdasarkan hasil, LIFE memerlukan sekitar 50-100 hari observasi untuk mendeteksi tanda tangan biologis.

LIFE masih merupakan misi potensial pada saat ini. Ini bukanlah usulan misi pertama yang hanya berfokus pada kelayakhunian planet ekstrasurya. Pada tahun 2023, NASA mengusulkan Habitable Worlds Observatory (HWO). Tujuannya adalah untuk secara langsung memotret setidaknya 25 dunia yang berpotensi layak huni dan kemudian mencari tanda-tanda biologis di atmosfernya.

Namun menurut penulis, hasil mereka menunjukkan bahwa HIDUP adalah pilihan terbaik.

“Jika terdapat sistem bintang ekstraplanet tipe akhir di sekitar Matahari dengan planet-planet yang menunjukkan biosfer global yang menghasilkan sinyal N2O dan CH3X, LIFE akan menjadi misi masa depan yang paling cocok untuk mencari dan mungkin mendeteksinya secara sistematis,” mereka menyimpulkan.