James Webb відкрив несподівану атмосферу екзопланети

Нещодавні спостереження космічного телескопа Джеймса Вебба пролили світло на загадкову суперземлю 55 Cancri e, виявивши, що її ймовірна атмосфера складається з таких газів, як чадний або діоксид вуглецю. Це відкриття підкреслює екстремальні умови планети через її близькість до своєї зірки та її потенціал запропонувати розуміння ранніх атмосфер скелястих планет.

55 Cancri e — одна з п’яти відомих планет, що обертаються навколо сонцеподібної зірки в сузір’ї Рака. З діаметром майже вдвічі більшим, ніж у Землі, і дещо більшою густиною планета класифікується як суперземля: більша за Землю, менша за Нептун і схожа за складом на кам’янисті планети нашої Сонячної системи.

Бріс-Олів’є Деморі з Центру космосу та життєздатності CSH Бернського університету та член NCCR PlanetS є співавтором дослідження, яке щойно було опубліковано в Nature.

Він каже: «55 Cancri e — одна з найзагадковіших екзопланет. Незважаючи на величезну кількість часу спостереження, отриманого за допомогою дюжини наземних і космічних установок за останнє десятиліття, сама його природа залишалася невловимою до сьогодні, коли частини головоломки нарешті вдалося зібрати разом завдяки космічному телескопу Джеймса Вебба (JWST).”

Несподівано ці спостереження показують, що гаряча та сильно опромінена кам’яниста планета може підтримувати газоподібну атмосферу, і це свідчить про здатність JWST характеризувати холодніші – потенційно придатні для життя – кам’янисті планети, що обертаються навколо сонцеподібних зірок. Ренью Ху з Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) очолює групу, яка публікує свої результати в Nature. «JWST дійсно розсуває кордони характеристики екзопланет до скелястих екзопланет», — сказав Ху. «Це справді відкриває новий тип науки».

Космічний телескоп CHEOPS зробив важливі висновки

Деморі був запрошений до дослідницької програми Ху, який був одним із його колег, коли той навчався в Массачусетському технологічному інституті (MIT). Деморі вивчає 55 Cancri e з початку своєї кар’єри: ​​«Як науковий співробітник Массачусетського технологічного інституту я керував відкриттям першого транзиту 55 Cancri e, і у 2016 році моя команда опублікувала першу карту скелястої екзопланети, яка була 55 Cancri e.”

Результати 2016 року вже натякнули на можливу присутність атмосфери навколо 55 Cancri e. Для цього дослідження Деморі провів незалежний аналіз набору даних JWST. Він пояснює: «Протягом останніх двох років космічний телескоп CHEOPS, який був розроблений і побудований в Бернському університеті, був ключовим у розв’язанні кількох питань, які постали перед астрофізиками щодо 55 Cancri e. JWST доповнив цю картину в інфрачервоному діапазоні хвиль, показавши, що суперземля 55 Cancri e може бути оточена атмосферою, склад якої відповідає чадному або вуглекислому газу».

Надгаряча суперземля, яка все ще холодніша, ніж очікувалося

Хоча 55 Cancri e схожий за складом на кам’янисті планети в нашій Сонячній системі, опис його як «скелястого» може залишити неправильне враження. Планета обертається так близько до своєї зірки (повна орбіта триває 18 годин, у порівнянні з 365 днями нашої Землі), що її поверхня, мабуть, розплавлена ​​– глибокий, 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. «Планета настільки гаряча, що частина розплавленої породи повинна випаруватися», — пояснив Ху.

Хоча JWST не може отримати пряме зображення 55 Cancri e, він може виміряти тонкі зміни світла від системи, коли планета обертається навколо зірки. Команда використовувала JWST NIRCam (камера ближнього інфрачервоного діапазону) та MIRI (прилад середнього інфрачервоного діапазону) для вимірювання інфрачервоного світла, що походить від планети. Віднімаючи яскравість під час вторинного затемнення, коли планета знаходиться позаду зірки (тільки світло зірки), від яскравості, коли планета знаходиться поруч із зіркою (світло від зірки та планети разом), команда змогла обчислити кількість інфрачервоного світла, що надходить із денного боку планети на кількох довжинах хвиль одночасно.

Перші вказівки на те, що 55 Cancri може мати значну атмосферу, надійшли з вимірювань температури на основі його теплового випромінювання 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 2200 градусів за Цельсієм.

«Натомість дані MIRI показали відносно низьку температуру близько 1500 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. Насправді денна сторона виглядає на кілька сотень градусів прохолоднішою, ніж мала б, навіть якщо тепло рівномірно розподіляється планетою. Це має сенс, якщо частина інфрачервоного світла, випромінюваного поверхнею, поглинається атмосферою і ніколи не досягає телескопа.

Булькаючий океан магми

Команда вважає, що гази, що вкривають 55 Cancri e, виходять зсередини. Через високу температуру та інтенсивне випромінювання зірки первинної атмосфери давно не було. Це буде вторинна атмосфера, яка постійно поповнюється океаном магми. Магма — це не просто кристали та рідкі породи, у ній також є багато розчиненого газу.

Хоча 55 Cancri e надто гарячий, щоб бути придатним для життя, він може стати унікальним вікном для вивчення взаємодії між атмосферами, поверхнями та внутрішніми частинами кам’янистих планет і, можливо, надати уявлення про ранню Землю, Венеру та Марс, 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.