Webb знайшов атмосферу на екзопланеті Рокі

Дослідники за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба NASA , можливо, виявили атмосферні гази, що оточують 55 Cancri e, гарячу кам’янисту екзопланету за 41 світловий рік від Землі. Це найкращий на сьогодні доказ існування будь-якої атмосфери кам’янистої планети за межами нашої Сонячної системи.

Ренью Ху з Лабораторії реактивного руху НАСА (JPL) у Пасадені, Каліфорнія, є провідним автором статті, опублікованої 8 травня в Nature. «Вебб розсуває межі характеристики екзопланет до скелястих планет», — сказав Ху. «Це справді відкриває новий тип науки».

Супергаряча суперземля 55 Cancri e

55 Cancri e, також відома як Janssen, — одна з п’яти відомих планет, що обертаються навколо сонцеподібної зірки 55 Cancri у сузір’ї Рака. З діаметром майже вдвічі більшим, ніж у Землі, і дещо більшою щільністю, планета класифікується як суперземля: більша за Землю, менша за Нептун і, ймовірно, подібна за складом до скелястих планет нашої Сонячної системи.

Проте опис 55 Cancri e як «скелястий» може залишити неправильне враження. Планета обертається так близько до своєї зірки (приблизно 1,4 мільйона миль, або одна двадцять п’ята відстані між Меркурієм і Сонцем), що її поверхня, ймовірно, розплавлена ​​– киплячий океан магми. З такою вузькою орбітою планета також, ймовірно, буде припливно заблокованою, з денною стороною, яка весь час повернена до зірки, а нічною – у вічній темряві.

Незважаючи на численні спостереження, проведені після того, як у 2011 році було виявлено транзит, питання про те, чи є у 55 Cancri e атмосфера – чи навіть може вона бути, враховуючи її високу температуру та безперервний натиск зоряного випромінювання та вітру з її зірки – залишається відкритим. залишився без відповіді.

«Я працюю на цій планеті більше десяти років», — сказала Діана Драгомір, дослідник екзопланет з Університету Нью-Мексико та співавтор дослідження. «Дуже засмучує те, що жодне зі спостережень, які ми отримували, не розгадало цих таємниць. Я дуже радий, що ми нарешті отримали деякі відповіді!»

На відміну від атмосфер газових планет-гігантів, які відносно легко помітити (перший був виявлений космічним телескопом Хаббла НАСА більше двох десятиліть тому), більш тонкі та щільні атмосфери, що оточують кам’янисті планети, залишаються невловимими.

Попередні дослідження 55 Cancri e з використанням даних космічного телескопа Spitzer NASA, який зараз вийшов з експлуатації, припустили наявність істотної атмосфери, багатої на летючі речовини (молекули, які зустрічаються на Землі у вигляді газу), як-от кисень, азот і вуглекислий газ. Але дослідники не можуть виключити іншу можливість: планета оголена, за винятком тонкої пелена випарованої породи, багатої такими елементами, як кремній, залізо, алюміній і кальцій. «Планета настільки гаряча, що частина розплавленої породи повинна випаруватися», — пояснив Ху.

Вимірювання тонких варіацій інфрачервоних кольорів

Щоб відрізнити ці дві можливості, команда використала камеру NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону) і MIRI (інструмент середнього інфрачервоного діапазону) від Webb для вимірювання інфрачервоного світла розміром від 4 до 12 мікрон, що надходить від планети.

Хоча Вебб не може отримати пряме зображення 55 Cancri e, він може виміряти тонкі зміни світла від системи, коли планета обертається навколо зірки.

Віднімаючи яскравість під час вторинного затемнення (див. зображення вище), коли планета знаходиться позаду зірки (лише світло зірки), від яскравості, коли планета знаходиться поруч із зіркою (світло від зірки та планети разом), команда отримала здатний розрахувати кількість різних довжин хвиль інфрачервоного світла, що надходить із денної сторони планети.

Цей метод, відомий як спектроскопія вторинного затемнення, схожий на той, який використовують інші дослідницькі групи для пошуку атмосфери на інших скелястих екзопланетах, таких як TRAPPIST-1b.

Холодніше, ніж очікувалося

Перша ознака того, що 55 Cancri e може мати значну атмосферу, надійшла з вимірювань температури на основі його теплового випромінювання (див. зображення вище) або теплової енергії, що виділяється у формі інфрачервоного світла. Якщо планета вкрита темною розплавленою породою з тонкою завісою пароподібної породи або взагалі відсутня атмосфера, денна температура повинна бути близько 4000 градусів за Фаренгейтом (~2200 градусів за Цельсієм).

«Натомість дані MIRI показали відносно низьку температуру близько 2800 градусів за Фаренгейтом [~1540 градусів за Цельсієм]», — сказав Ху. «Це дуже сильна ознака того, що енергія розподіляється з денного боку на нічний, швидше за все, через атмосферу, багату на летючі речовини». Хоча потоки лави можуть переносити деяку кількість тепла на нічну сторону, вони не можуть переміщати його достатньо ефективно, щоб пояснити ефект охолодження.

Коли команда переглянула дані NIRCam, вони побачили закономірності, що відповідають летючій атмосфері».

Ми бачимо ознаки провалу в спектрі між 4 і 5 мікронами — менше цього світла досягає телескопа», — пояснив співавтор Аарон Белло-Аруфе, також з NASA JPL. «Це свідчить про наявність атмосфери, що містить чадний або вуглекислий газ, які поглинають ці довжини хвиль світла». Планета без атмосфери або атмосфера, що складається лише з випарованої породи, не матиме цієї специфічної спектральної особливості.

«Останні десять років ми витратили на моделювання різних сценаріїв, намагаючись уявити, як може виглядати цей світ», — сказала співавтор Яміла Мігель з Лейденської обсерваторії та Нідерландського інституту космічних досліджень (SRON). «Нарешті отримати підтвердження нашої роботи — це безцінно!»

Булькаючий океан магми

Команда вважає, що гази, що вкривають 55 Cancri e, будуть виходити зсередини, а не бути присутніми з моменту формування планети. «Первинної атмосфери давно не було б через високу температуру та інтенсивне випромінювання від зірки», — сказав Белло-Аруфе. «Це буде вторинна атмосфера, яка постійно поповнюється океаном магми. Магма — це не просто кристали та рідка порода; у ньому також багато розчиненого газу».

Хоча 55 Cancri e надто гарячий, щоб бути придатним для життя, дослідники вважають, що він може стати унікальним вікном для вивчення взаємодії між атмосферами, поверхнями та внутрішніми частинами кам’янистих планет, і, можливо, дасть уявлення про ранні умови Землі, Венери та Марса , які, як вважають, були вкриті океанами магми далеко в минулому. «Зрештою, ми хочемо зрозуміти, які умови дозволяють кам’янистій планеті підтримувати насичену газом атмосферу: ключовий інгредієнт планети, придатної для життя», — сказав Ху.

Це дослідження було проведено в рамках Програми загальних спостерігачів Вебба (GO) 1952. Аналіз додаткових вторинних спостережень за затемненнями 55 Cancri e зараз триває.