Webb po raz pierwszy odkrył atmosferę na skalistej egzoplanecie

Gaz unoszący się z powierzchni pokrytej lawą na 55 Cancri e może zasilać atmosferę bogatą w dwutlenek lub tlenek węgla.

W dzisiejszych czasach wykrycie atmosfery planety oddalonej o dziesiątki, a nawet setki lat świetlnych od Ziemi może nie wydawać się wielkim problemem. W ciągu ostatnich dwóch dekad naukowcy odkryli dowody na istnienie atmosfer otaczających dziesiątki egzoplanet. Problem polega na tym, że wszystkie te planety mają gęste atmosfery zdominowane przez wodór, które są stosunkowo łatwe do zbadania. Cienkie warstwy gazu otaczające niektóre małe, skaliste egzoplanety pozostają nieuchwytne.

Naukowcy sądzą, że być może w końcu udało im się dojrzeć bogatą, zmienną atmosferę otaczającą skalistą planetę. Światło emitowane z gorących obszarów jest silnie promieniujące Egzoplaneta 55 Cancri e pokazuje przekonujące dowody na istnienie atmosfery, prawdopodobnie bogatej w dwutlenek lub tlenek węgla, która wypływa z rozległego oceanu lawy pokrywającego powierzchnię planety.

Wynik jest najlepszym jak dotąd dowodem na istnienie atmosfery skalistej planety poza naszym Układem Słonecznym.

Koncepcja artysty pokazuje, jak mogłaby wyglądać egzoplaneta 55 Cancri e. 55 Cancri e, zwana także Janssen, to tak zwana superZiemia, skalista planeta znacznie większa od Ziemi, ale mniejsza od Neptuna, która okrąża swoją gwiazdę w odległości zaledwie 1,4 miliona mil (0,015 AU), wykonując pełny obrót. W niecałe 18 godzin. (Merkury znajduje się 25 razy dalej od Słońca niż jego gwiazda 55 Cancri e). Układ ten, w skład którego wchodzą także cztery duże gazowe olbrzymy, znajduje się około 41 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Raka. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Kosmiczny Teleskop Webba wskazuje na możliwą atmosferę otaczającą skalistą egzoplanetę

Naukowcy używają NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Być może odkryli gazy atmosferyczne otaczające 55 Cancri e, gorącą, skalistą egzoplanetę położoną 41 lat świetlnych od Ziemi. To najlepszy jak dotąd dowód na to, że każda skalista planeta poza naszym Układem Słonecznym ma jakąkolwiek atmosferę.

Renew pochodzi z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA (Laboratorium Napędów Odrzutowych) w Pasadenie w Kalifornii jest głównym autorem artykułu opublikowanego 8 maja Natura. „Webb przesuwa granice charakteryzowania egzoplanet w kierunku planet skalistych” – powiedział Hu. „To naprawdę umożliwia nowy rodzaj nauki”.

Super-gorąca ziemia 55 Cancri E

55 Cancri e, znana również jako Janssen, to jedna z pięciu znanych planet krążących wokół gwiazdy podobnej do Słońca 55 Cancri, w gwiazdozbiorze Raka. Ze średnicą prawie dwukrotnie większą od Ziemi i nieco większą gęstością, planeta jest klasyfikowana jako super-Ziemia: większa od Ziemi i mniejsza od Ziemi. NeptunPrawdopodobnie mają podobny skład do planet skalistych w naszym Układzie Słonecznym.

Jednak opisanie 55 Cancri e jako „skalistego” może wywołać błędne wrażenie. Planeta krąży blisko swojej gwiazdy (około 2,4 miliona mil, czyli 20/25 odległości między Merkurym a Słońcem), a jej powierzchnia jest prawdopodobnie stopiona – to bulgoczący ocean magmy. Przy tak wąskiej orbicie planeta jest prawdopodobnie również zablokowana pływowo, jej dzienna strona jest przez cały czas zwrócona w stronę gwiazdy, a nocna strona pogrążona jest w wiecznej ciemności.

Pomimo licznych obserwacji od czasu odkrycia jego tranzytu w 2011 r., pytanie, czy 55 Cancri e ma atmosferę – a nawet mógł Jedno z nich pozostało bez odpowiedzi ze względu na wysoką temperaturę oraz ciągły atak promieniowania gwiazdowego i wiatrów od gwiazdy.

„Pracuję na tej planecie od ponad dziesięciu lat” – powiedziała Diana Dragomir, badaczka egzoplanet na Uniwersytecie w Nowym Meksyku i współautorka badania. „To naprawdę frustrujące, że żadna z otrzymanych przez nas opinii nie zapewniła solidnego rozwiązania tych zagadek. Cieszę się, że w końcu mamy odpowiedzi!”

W przeciwieństwie do atmosfer gazowych gigantów, które są stosunkowo łatwe do wykrycia ( Zostało to ujawnione po raz pierwszy Przez NASA Kosmiczny teleskop Hubble Przez ponad dwie dekady cieńsza i gęstsza atmosfera otaczająca planety skaliste pozostawała nieuchwytna.

Poprzednie badania 55 Cancri e, wykorzystujące dane z wycofanego już Kosmicznego Teleskopu Spitzera, należącego do NASA, sugerowały obecność dużej atmosfery bogatej w substancje lotne (cząsteczki występujące na Ziemi w postaci gazowej), takie jak tlen, azot i dwutlenek węgla. Badacze nie byli jednak w stanie wykluczyć innej możliwości: że planeta jest pusta, z wyjątkiem delikatnej pokrywy odparowanych skał, bogatej w pierwiastki takie jak krzem, żelazo, aluminium i wapń. „Planeta jest tak gorąca, że ​​część stopionej skały musiała wyparować” – wyjaśnił Ho.

Ta krzywa blasku pokazuje zmianę jasności układu 55 Cancri, gdy skalista planeta 55 Cancri e, najbliższa z pięciu znanych planet układu, przemieszcza się za gwiazdą. Zjawisko to znane jest jako zaćmienie wtórne.
Kiedy planeta znajduje się blisko gwiazdy, światło średniej podczerwieni pochodzące zarówno z gwiazdy, jak i ze strony dziennej planety dociera do teleskopu, dzięki czemu układ wydaje się jaśniejszy. Kiedy planeta znajduje się za gwiazdą, światło planety jest blokowane i do teleskopu dociera jedynie światło gwiazdy, co powoduje zmniejszenie pozornej jasności.
Astronomowie mogą odjąć jasność gwiazdy od łącznej jasności gwiazdy i planety, aby obliczyć, ile światła podczerwonego dociera do planety od dziennej strony. Na tej podstawie oblicza się temperaturę w ciągu dnia i wyciąga wnioski, czy planeta posiada atmosferę.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Zmierz subtelne różnice w kolorach w podczerwieni

Aby rozróżnić te dwie możliwości, zespół wykorzystał należącą do Webba kamerę NIRCam (kamerę bliskiej podczerwieni) i MIRI (instrument średniej podczerwieni) do pomiaru światła podczerwonego o średnicy od 4 do 12 mikronów pochodzącego z planety.

Chociaż Webb nie jest w stanie wykonać bezpośredniego zdjęcia 55 Cancri e, może zmierzyć subtelne zmiany w świetle układu, gdy planeta krąży wokół gwiazdy.

Odejmując jasność podczas wtórnego zaćmienia (patrz zdjęcie powyżej), gdy planeta znajduje się za gwiazdą (tylko światło gwiazd), od jasności, gdy planeta znajduje się tuż obok gwiazdy (łącznie światło gwiazdy i planety), zespół był w stanie obliczyć ilość różnych długości fal promieni światła podczerwonego pochodzących z dziennej strony planety.

Metoda ta, znana jako spektroskopia zaćmień wtórnych, jest podobna do tej stosowanej przez inne zespoły badawcze do poszukiwania atmosfer na innych skalistych egzoplanetach, takich jak TRAPPIST-1 b.

Widmo emisji termicznej zarejestrowane przez kamerę Webb NIRCam (kamerę bliskiej podczerwieni) w listopadzie 2022 r. i MIRI (instrument średniej podczerwieni) w marcu 2023 r. pokazuje jasność (oś y) różnych długości fal emitowanego światła podczerwonego (oś x). Przez gigantyczną egzoplanetę 55 Cancri e. Widmo pokazuje, że planeta może być otoczona atmosferą bogatą w dwutlenek lub tlenek węgla i inne substancje lotne, a nie tylko odparowane skały.
Wykres porównuje dane zebrane przez NIRCam (pomarańczowe kropki) i MIRI (fioletowe kropki) z dwoma różnymi modelami. Model A, zaznaczony na czerwono, pokazuje, jak powinno wyglądać widmo emisyjne 55 Cancri e, gdyby miało atmosferę zbudowaną z parujących skał. Model B, zaznaczony na niebiesko, pokazuje, jak powinno wyglądać widmo emisyjne, gdyby planeta posiadała atmosferę bogatą w substancje lotne, emitowaną z oceanu magmy, którego zawartość substancji lotnych jest podobna do płaszcza Ziemi. Dane MIRI i NIRCam są spójne z modelem bogatym w substancje lotne.
Ilość światła średniej podczerwieni emitowanego przez planetę (MIRI) pokazuje, że temperatura w ciągu dnia jest znacznie niższa, niż byłaby, gdyby planeta nie posiadała atmosfery rozprowadzającej ciepło ze strony dziennej na nocną. Spadek widma pomiędzy 4 a 5 mikronami (dane NIRCam) można wytłumaczyć absorpcją tych długości fal przez cząsteczki tlenku lub dwutlenku węgla w atmosferze.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Uniwersytet w Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Zimniej niż oczekiwano

Pierwszą wskazówką, że 55 Cancri e może posiadać znaczącą atmosferę, były pomiary temperatury oparte na emisji cieplnej (patrz zdjęcie powyżej) lub energii cieplnej emitowanej w postaci światła podczerwonego. Jeśli planeta była pokryta ciemną, stopioną skałą z cienką zasłoną odparowanych skał lub w ogóle nie miała atmosfery, temperatura po stronie dziennej powinna wynosić około 4000 stopni F (~2200 stopni Celsjusz).

„Zamiast tego dane MIRI wykazały stosunkowo niską temperaturę wynoszącą około 2800 stopni Fahrenheita [~1540 degrees Celsius]Powiedział. „To bardzo wyraźny sygnał, że energia jest rozprowadzana ze strony dziennej na nocną, najprawdopodobniej poprzez lotną, bogatą atmosferę”. Chociaż strumienie lawy mogą przenosić część ciepła na noc, nie są w stanie przenieść go wystarczająco skutecznie, aby uwzględnić efekt chłodzenia.

Kiedy zespół przyjrzał się danym z NIRCam, dostrzegł wzorce spójne z bogatą, niestabilną atmosferą.

„Widzimy dowody na spadek widma pomiędzy 4 a 5 mikronów, w wyniku czego do teleskopu dociera mniej światła” – wyjaśnia współautor Aaron Bello-Aroff, również z NASA JPL. „Wskazuje to na obecność atmosfery zawierającej tlenek lub dwutlenek węgla, która pochłania te długości fal światła”. Planeta, która nie ma atmosfery lub składa się wyłącznie z odparowanej skały, nie miałaby tej specyficznej cechy widmowej.

„Spędziliśmy ostatnie 10 lat modelując różne scenariusze, próbując wyobrazić sobie, jak mógłby wyglądać ten świat” – powiedziała współautorka Yamila Miguel z Obserwatorium w Lejdzie i Holenderskiego Instytutu Badań Kosmicznych (SRON). „Wreszcie otrzymaliśmy potwierdzenie naszej bezcennej pracy!”

Bulgoczący ocean magmy

Zespół uważa, że ​​gazy pokrywające 55 Cancri e wyłonią się z wnętrza, a nie były obecne od chwili powstania planety. „Atmosfera jądra zniknie dawno temu z powodu wysokiej temperatury i intensywnego promieniowania gwiazdy” – powiedział Bello-Arov. „Będzie to atmosfera wtórna, która jest stale uzupełniana przez ocean magmy. Magma to nie tylko ciekłe kryształy i skały, jest w niej również rozpuszczonych dużo gazu.

Chociaż 55 Cancri e jest zbyt gorąca, aby nadawała się do zamieszkania, badacze uważają, że może zapewnić wyjątkowe okno do badania interakcji pomiędzy atmosferą, powierzchniami i wnętrzami planet skalistych, a być może zapewnić wgląd we wczesne warunki ziemskie. WenusI MarsUważa się, że w odległej przeszłości były one pokryte oceanami magmy. „Docelowo chcemy zrozumieć, jakie warunki umożliwiają planetom skalistym utrzymanie atmosfery bogatej w gaz, niezbędnego składnika planety nadającej się do zamieszkania” – powiedział Hu.

Badania te przeprowadzono w ramach programu Webba General Observers (GO) na rok 1952. Obecnie analizowane są dodatkowe obserwacje wtórnych zaćmień 55 Cancri e.

Odniesienia: „Amosfera wtórna na skalistej egzoplanecie 55 Cancri e” autorstwa Renyu Hu, Aarona Belo-Aroffa, Michaela Zhanga, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jaishel Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker i Bryce Olivier Demauri, 8 maja 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wiodącym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie. Webb rozwiązuje tajemnice naszego Układu Słonecznego, spogląda poza odległe światy wokół innych gwiazd i bada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. WEB to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).Europejska Agencja Kosmiczna) i Kanadyjska Agencja Kosmiczna.