NASA Webb вимірює температуру скелястої екзопланети

Міжнародна група дослідників за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба NASA виміряла температуру скелястої екзопланети TRAPPIST-1 b. Вимірювання базується на тепловому випромінюванні планети: теплова енергія, що виділяється у формі інфрачервоного світла, виявляється інструментом середнього інфрачервоного діапазону Вебба (MIRI). Результат показує, що денна температура планети становить близько 500 кельвінів (приблизно 450 градусів за Фаренгейтом) і припускає, що вона не має значної атмосфери.

Це перше виявлення будь-якої форми світла, випромінюваного екзопланетою, такою ж маленькою і холодною, як кам’янисті планети в нашій Сонячній системі. Результат знаменує важливий крок у визначенні того, чи можуть планети, що обертаються навколо малих активних зірок, таких як TRAPPIST-1, підтримувати атмосферу, необхідну для підтримки життя. Це також є хорошим провіщанням для здатності Вебба характеризувати екзопланети помірного клімату розміром із Землю за допомогою MIRI.

«Ці спостереження дійсно використовують можливості Вебба в середньому інфрачервоному діапазоні», — сказав Томас Грін, астрофізик з Дослідницького центру Еймса NASA та провідний автор дослідження, опублікованого сьогодні в журналі Nature. «Жоден попередній телескоп не мав такої чутливості, щоб виміряти таке тьмяне світло середнього інфрачервоного діапазону».

Ця графіка порівнює денну температуру TRAPPIST-1 b, виміряну за допомогою приладу середнього інфрачервоного випромінювання Вебба (MIRI), з комп’ютерними моделями температури за різних умов. 

Скелясті планети, що обертаються навколо ультрахолодних червоних карликів

На початку 2017 року астрономи повідомили про відкриття семи скелястих планет, що обертаються навколо ультрахолодної червоної карликової зірки (або М-карлика) на відстані 40 світлових років від Землі. Що примітно в планетах, так це їхня схожість за розміром і масою з внутрішніми кам’янистими планетами нашої Сонячної системи. Не зважаючи на те, що всі вони обертаються набагато ближче до своєї зірки, ніж будь-яка з наших планет навколо Сонця – усі вони можуть зручно розміститися на орбіті Меркурія – вони отримують порівнянну кількість енергії від своєї крихітної зірки.

TRAPPIST-1 b, найглибша планета, має орбітальну відстань приблизно в одну соту земної та отримує приблизно в чотири рази більше енергії, ніж Земля отримує від Сонця. Не зважаючи на те, що вона не входить до зони життя системи, спостереження за нею можуть надати важливу інформацію про її планети-побратими, а також про планети інших М-карликових систем. 

«Цих зірок у Чумацькому Шляху в десять разів більше, ніж таких зірок, як Сонце, і в них вдвічі більше шансів мати скелясті планети, ніж у таких зірок, як Сонце», — пояснив Грін. «Але вони також дуже активні – вони дуже яскраві, коли вони молоді, і вони випромінюють спалахи та рентгенівські промені, які можуть знищити атмосферу».

Співавтор Ельза Дюкро з Французької комісії з альтернативних джерел енергії та атомної енергії (CEA) у Франції, яка була в команді, яка проводила попередні дослідження системи TRAPPIST-1, додала: «Легше схарактеризувати планети земної групи навколо менших, холодніших зірок. . Якщо ми хочемо зрозуміти можливість проживання навколо зірок М, система TRAPPIST-1 є чудовою лабораторією. Це найкращі об’єкти, які ми маємо для дослідження атмосфер кам’янистих планет».

Виявлення атмосфери (чи ні)

Попередні спостереження TRAPPIST-1 b за допомогою космічних телескопів Hubble і Spitzer не виявили доказів пухкої атмосфери, але не змогли виключити наявність щільної.

Одним зі способів зменшити невизначеність є вимірювання температури планети. «Ця планета припливно замкнена, одна сторона її весь час звернена до зірки, а інша — у постійній темряві», — сказав П’єр-Олів’є Лагаж з CEA, співавтор статті. «Якщо в ньому є атмосфера для циркуляції та перерозподілу тепла, вдень буде прохолодніше, ніж без атмосфери».

Команда використовувала техніку під назвою вторинна фотометрія затемнення, за допомогою якої MIRI вимірював зміну яскравості від системи, коли планета рухалася за зіркою. Хоча TRAPPIST-1 b недостатньо гарячий, щоб випромінювати власне видиме світло, він має інфрачервоне світіння. Віднявши яскравість зірки окремо (під час вторинного затемнення) від яскравості зірки та планети разом, вони змогли успішно обчислити, скільки інфрачервоного світла випромінює планета.

Ця крива блиску показує зміну яскравості системи TRAPPIST-1, коли найглибша планета TRAPPIST-1 b рухається за зіркою. Це явище відоме як вторинне затемнення. 

Вимірювання незначних змін яскравості

Виявлення Веббом вторинного затемнення саме по собі є важливою віхою. Оскільки зірка більш ніж у 1000 разів яскравіша за планету, зміна яскравості становить менше ніж 0,1%.

«Був також певний страх, що ми пропустимо затемнення. Усі планети тягнуться одна до одної, тому орбіти не є ідеальними», — сказав Тейлор Белл, докторант Інституту досліджень навколишнього середовища Bay Area, який аналізував дані. «Але це було просто дивовижно: час затемнення, який ми бачили в даних, збігся з прогнозованим часом протягом кількох хвилин».

Команда проаналізувала дані п’яти окремих спостережень вторинних затемнень. «Ми порівняли результати з комп’ютерними моделями, які показують, якою має бути температура в різних сценаріях», — пояснив Дюкро. «Результати майже повністю узгоджуються з чорним тілом, зробленим із голої скелі та відсутності атмосфери для циркуляції тепла. Ми також не помітили жодних ознак поглинання світла вуглекислим газом, які були б очевидні в цих вимірюваннях».

Це дослідження було проведено в рамках програми Webb Guaranteed Time Observation (GTO) 1177, яка є однією з восьми програм першого наукового року Вебба, розроблених для того, щоб допомогти повністю схарактеризувати систему TRAPPIST-1. Наразі тривають додаткові вторинні спостереження за затемненням TRAPPIST-1 b, і тепер, коли вони знають, наскільки якісними можуть бути дані, команда сподівається врешті-решт зафіксувати повну фазову криву, що показує зміну яскравості по всій орбіті. Це дозволить їм побачити, як температура змінюється від денної до нічної, і підтвердити, чи є на планеті атмосфера, чи ні.

«Була одна ціль, про яку я мріяв», — сказав Лагедж, який працював над розробкою інструменту MIRI більше двох десятиліть. «І це був цей. Це перший раз, коли ми можемо виявити випромінювання від кам’янистої планети з помірним кліматом. Це дійсно важливий крок в історії відкриття екзопланет».