Relatório Científico Anual de 2012
VPL na Universidade de Washington Reportagem | SETEMBRO 2011 – AGOSTO 2012
O esforço de pesquisa interdisciplinar do Laboratório Planetário Virtual concentra-se em responder a uma única questão-chave em astrobiologia: se encontrássemos um planeta terrestre orbitando uma estrela distante, como faríamos para reconhecer sinais de habitabilidade e vida nesse planeta? Esta questão é relevante para a busca por vida além do nosso Sistema Solar, conforme descrito nas Metas 1 e 7 do Roteiro de Astrobiologia da NASA. A pesquisa VPL abrange muitos dos objetivos do Roteiro, mas é mais relevante para os Objetivos 1.1 (Formação e Evolução de Planetas Habitáveis), 1.2 (Observações indiretas e diretas de planetas extrassolares habitáveis) e 7.2 (Bioassinaturas a serem procuradas em sistemas planetários próximos).
Observações recentes aproximaram-nos muito mais da identificação de ambientes extrasolares que poderiam sustentar vida. A bem-sucedida missão Kepler encontrou mais de dois mil candidatos planetários – muitos deles com menos de duas vezes o diâmetro da Terra – que podem residir nas zonas habitáveis ​​das suas estrelas-mãe. A grande pesquisa do Kepler irá melhorar a nossa compreensão de como os planetas terrestres são comuns na Galáxia, e o planeado Telescópio Espacial James Webb (JWST) irá sondar a composição atmosférica das super-Terras. A longo prazo, prevemos telescópios espaciais, como o conceito Terrestrial Planet Finder da NASA, que podem obter imagens e espectroscopia diretas de planetas extrasolares terrestres.
O VPL fornece uma base científica para a interpretação de dados de missões de detecção e caracterização de planetas extra-solares terrestres, como Kepler, JWST e TPF. Para fazer isso, o VPL utiliza informações dos estágios de evolução da Terra e dados fornecidos pelos programas de observação da Terra e exploração planetária da NASA, para validar e desenvolver modelos mais abrangentes de planetas terrestres. Esses modelos nos permitem simular e explorar a provável diversidade dos ambientes extrassolares dos planetas antes das observações mais desafiadoras. Esses modelos são usados ​​principalmente para compreender os efeitos radiativos e gravitacionais das estrelas nos planetas que as orbitam. Combinações de modelo e trabalho de campo também são usadas para entender quais gases produzidos biologicamente podem produzir uma “bioassinatura” detectável em observações planetárias com média global. Finalmente, modelos e simuladores de instrumentos são usados ​​para entender como podemos extrair melhor informações sobre o ambiente de um planeta a partir de dados que não têm resolução espacial direta e podem ser bastante limitados de outras maneiras.
A equipe necessária para desenvolver e executar esses modelos é necessariamente altamente interdisciplinar. Nossa pesquisa abrange esforços disciplinares únicos que produzem resultados pertinentes ao nosso foco abrangente em habitabilidade e bioassinaturas, até esforços altamente interdisciplinares onde astrofísicos estelares, modeladores climáticos planetários, dinamicistas orbitais, químicos atmosféricos e biólogos trabalham juntos para determinar os efeitos da radiação estelar. e gravitação na habitabilidade dos planetas terrestres.
Nossa pesquisa este ano
Nossa pesquisa pode ser dividida em cinco tarefas principais: A Terra como Planeta Extrasolar, O Observador, Terra e Marte Primitivos, O Planeta Habitável e O Planeta Vivo.
A Terra como um Planeta Extrasolar.
O projeto Terra como Planeta Extrasolar foi concluído no início deste período de relatório com a publicação dos documentos finais da colaboração entre o modelo VPL 3-D da Terra e as equipes científicas da missão EPOXI (Livengood et al., 2011). Conjuntos de dados sintéticos dessas tarefas de modelagem estão disponíveis no site da VPL.
A análise contínua das observações da Terra EPOXI por Meadows e estudantes inclui a exploração da detectabilidade do dímero N2-N2 nos espectros do infravermelho próximo da Terra, como uma nova forma de sondar a composição global das atmosferas dos planetas terrestres (Schweiterman et al., 2012 em preparação). Também desenvolvemos uma nova técnica de recuperação para extrair simultaneamente informações de temperatura, albedo e composição da superfície no infravermelho próximo dos espectros de planetas terrestres, e validamos isso usando o modelo VPL da Terra e os espectros EPOXI da Terra e de Marte (Schweiterman et al., 2012 em preparação).
Além disso, como parte de nossa tarefa de Observador, convertemos nosso modelo de transferência radiativa para gerar espectros de transmissão e validamos isso em relação às observações ATMOS da Terra. Usamos o modelo para mostrar que medições simultâneas das características de absorção da molécula do dímero O2-O2 e do oxigênio molecular (O2) podem ser usadas como uma nova técnica para sondar a pressão atmosférica planetária para atmosferas oxigenadas (Misra et al., 2012, em preparação). Robinson e Meadows também fizeram apresentações em conferências sobre a detecção de exoluas usando espectroscopia do planeta hospedeiro e conceitos para uma missão L1 de observação da Terra para astrobiologia. Evans continuou a trabalhar em comparações entre instrumentos TPF-C, -I e –O e simuladores de telescópio para a detectabilidade de marcadores de habitabilidade e bioassinaturas em planetas extrasolares. Bailey, Agol, Barnes, Raymond e colaboradores continuaram seu trabalho em busca de planetas terrestres extrasolares usando pesquisas de velocidade radial e dados do Kepler (por exemplo, Fleming et al., 2012; Wisniewski et al., 2012; Anglada-Escude et al., 2012).
Terra primitiva e Marte:
David Catling e colaboradores trabalharam no início da história do ambiente marciano, incluindo a compreensão das implicações ambientais de depósitos em camadas de tons claros nos trópicos (Sefton-Nash et al., 2012), fontes termais ricas em sílica (Marion et al., 2011) e minerais argilosos (Ehlmann et al., 2012). Também abriram um debate sobre a presença ou ausência contemporânea de metano marciano (Zahnle et al., 2011). Em trabalho em andamento, eles também investigaram a formação fotoquímica de sais marcianos (Smith et al., 2011)
Catling, Buick e colegas abordam problemas relacionados à história da atmosfera da Terra e aos ciclos biogeoquímicos, incluindo a compreensão da história do oxigênio atmosférico (Catling, 2011, 2012; Kasting et al., 2012). Esses estudos apresentaram dados que sugerem a oxidação do enxofre na terra até 2,7 Ga, indicando a presença de uma biosfera microbiana fotossintética inicial baseada em terra (Stueeken et al., 2012). O trabalho também foi publicado na Nature, restringindo a pressão atmosférica antiga na Terra de 2,7 Ga a partir do tamanho das impressões fósseis de gotas de chuva (Som et al., 2012).
Mark Claire e Shawn Domagal-Goldman foram co-autores em um estudo multi-proxy de alta resolução de uma seção de perfuração arqueana. Combinando geoquímica e modelação, eles e os seus colegas forneceram a melhor evidência até à data da presença de neblina orgânica (e também do próprio metano) na atmosfera terrestre primitiva (Zerkle et al., 2012). Além disso, Claire, Catling, Meadows e colegas publicaram um artigo sobre a evolução do fluxo solar, aplicável em qualquer parte do sistema solar, para idades solares de 0 a 8 Gyr (Claire et al., 2012). Ao restringir uma importante incógnita nos estudos paleoquímicos e climáticos, este trabalho deverá reduzir a incerteza na nossa compreensão da evolução das atmosferas planetárias. Claire também coletou amostras do Atacama usando uma bolsa NAI/Lewis and Clark Fellowship de 2011, dando continuidade à pesquisa iniciada durante seu prêmio DDF de 2010, ‘Perclorato, Água e Vida’.
O VPL estuda a habitabilidade de exoplanetas em diversas frentes, incluindo formação, propriedades atmosféricas e dinâmica orbital. Este ano, Sean Raymond e colegas examinaram como a formação do Sistema Solar interior pode ter sido moldada pela migração de Júpiter e Saturno (o modelo “Grand Tack” – Walsh et al. 2011; Pierens e Raymond, 2011). Eles também mostraram que os discos de detritos e os planetas terrestres deveriam estar correlacionados (Raymond et al., 2012) e que estrelas binárias largas (separações >1000 UA) são na verdade mais destrutivas para os sistemas planetários do que binários mais próximos (Kaib et al., 2012). Finalmente, exploraram a evolução das marés dos planetas em torno das anãs castanhas (Bolmont et al., 2011) e o efeito da história da rotação estelar (Bolmont et al., 2012).
Jim Kasting, estudantes e colaboradores desenvolveram um novo código fotoquímico 1-D que é aplicável a atmosferas densas e quentes que se aproximam do equilíbrio termodinâmico em profundidade, por exemplo, Júpiteres quentes (Kopparapu & Kasting 2012). Este grupo também trabalhou na incorporação de novos coeficientes k dos bancos de dados HITRAN e HITEMP de 2010 em seu código químico-clima para recalcular os limites da zona habitável de água líquida em torno de diferentes estrelas da sequência principal (Kopparapu et al., 2012, submetido). . Esta equipe também incluiu a absorção induzida por colisão (CIA) de radiação infravermelha por H2 em seu modelo climático 1-D e usou-o para mostrar que uma atmosfera densa e rica em CO2 contendo 10 por cento de H2 poderia ter trazido o início de Marte acima do ponto de congelamento ( Ramirez et al., 2012, submetido). Ramirez e outros também exploraram como o metano pode atuar como um gás de efeito estufa secundário e mudar de efeito estufa para agente anti-estufa para planetas em torno de diferentes tipos de estrelas (Ramirez et al., em preparação). A equipe também modificou um código de escape hidrodinâmico 1-D para modelar atmosferas primitivas ricas em hidrogênio de planetas terrestres, e Zugger liderou o trabalho sobre polarização e assinaturas brilhantes de exoplanetas oceânicos (Zugger et al. 2011).
Rory Barnes, estudantes e colaboradores continuaram a estudar o papel da dinâmica orbital e da habitabilidade planetária. No ano passado, a equipe mostrou que o aquecimento das marés pode desencadear um efeito estufa descontrolado em exoplanetas e exoluas (Barnes et al. 2012, Barnes & Heller 2012, Heller & Barnes 2012) e realizou estudos dos efeitos das marés em anãs marrons na pesquisa MARVELS. (Fleming et al. 2012; Ma et al. 2012). Barnes e colegas também ajudaram em observações terrestres de trânsitos (Kundurthy et al 2011, 2012a,b; Becker et al. 2012) e organizaram um workshop sobre as conexões entre a dinâmica orbital e o clima planetário.
Monika Kress com a estudante Tin Tran apresentaram trabalhos sobre a formação química de PAHs em discos protoplanetários, como um possível mecanismo para incorporar carbono na formação de planetas terrestres (Kress et al., 2012; Tran et al., 2012)
David Catling trabalhou na química dos oceanos em satélites de planetas exteriores (Marion et al., 2012) e no desenvolvimento de índices para determinar a habitabilidade composta de exoplanetas (Schulze-Makuch et al., 2011). Robinson e Catling (2012) também desenvolveram um modelo radiativo-convectivo analítico generalizado que poderia ser usado no futuro para avaliar a estrutura térmica das atmosferas planetárias e, portanto, o regime de temperatura-pressão da superfície e a habitabilidade.
Ed Bolton iniciou operações de produção destinadas a quantificar a retirada de CO2 da atmosfera através do intemperismo de solos derivados de granito idealizado e tipos de rochas basálticas. Esta modelagem está sendo feita para encontrar a influência da composição atmosférica, temperatura e taxas de infiltração no consumo de CO2.
O Planeta Vivo
Nesta área de pesquisa, os membros da equipe VPL utilizam modelagem e trabalho de laboratório e de campo para compreender a coevolução da biosfera com seu ambiente e os limites da vida. Este ano, Nancy Kiang concluiu uma versão de um conjunto de dados de estrutura de vegetação global para utilizar os mais recentes produtos MODIS (cobertura da terra, índice de área foliar, albedo), bem como LiDAR do Geoscience Laser Altimeter System a bordo do Ice, Cloud, and Land Elevation Satélite (ICESat/GLAS) (altura da vegetação) para servir como condições de contorno ou como um conjunto de dados de avaliação de desempenho para o Modelo da Biosfera Terrestre Ent (Ent TBM). Este conjunto de dados está agora sendo usado em simulações globais, off-line e no modelo de circulação geral do Instituto Goddard de Estudos Espaciais (GISS GCM), para testar o Ent TBM para simulações em escala global de fluxos de carbono e crescimento foliar, estimativa de estoques de carbono em biomassa e melhores previsões de albedos de superfície. Esses testes prepararão o terreno para experimentos de modelagem da biosfera de exoplanetas.
Kiang, com o pós-doutorado Mielke e colegas continuam seu trabalho sobre Acarychloris marina e a eficiência da fotossíntese em comprimentos de onda mais longos (Mielke et al., 2012). Kiang também liderou a criação de um novo banco de dados para pigmentos fotossintéticos que está disponível para uso comunitário no site da VPL (http://vplapps.astro.washington.edu/pigments). Janet Seifert continua a estudar a biologia de Cuatro Cienegas e foi proeminentemente apresentado com quatro publicações em Astrobiologia, incluindo um artigo sobre possíveis estratégias de sobrevivência para passageiros clandestinos microbianos em Marte (Siefert et al., 2012).
Como parte de um esforço NAI DDF, Deming, Bowman e colaboradores continuam a testar e modificar o projeto de um criorreator para flores congeladas e geoquímica (CRYO-FROG), alcançando temperaturas estáveis ​​na faixa experimental desejada, antes de conduzir um teste inicial. conjunto de experimentos ainda este ano.
Educação e divulgação pública
O contingente UW VPL sediou novamente a aula de Lakewood High Astrobiology este ano, e a aula pioneira no financiamento do NAI foi agora escolhida pela escola como um curso permanente. O trabalho continua numa nova ferramenta baseada na web para explorar as zonas habitáveis ​​em torno das estrelas na vizinhança solar local. Deming participou de um evento de divulgação em Toppenish (WA) para famílias e crianças do ensino fundamental e médio da Nação Yakama. Vários dos nossos cientistas deram palestras públicas este ano como parte dos eventos Trânsito de Vênus e MSL em Marte, e a pesquisa VPL foi apresentada em inúmeras revistas científicas populares, jornais e documentários de televisão.