Космический телескоп Уэбб обнаружил атмосферу экзопланеты 55 Cancri e

09.05.2024 10:34

Hleb.asia

Исследователи с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, возможно, обнаружили доказательства присутствия атмосферных газов вокруг 55 Cancri e, скалистой экзопланеты, расположенной в 41 световом году от Земли. Это открытие считается лучшим на данный момент доказательством существования атмосферы на каменистой планете за пределами нашей Солнечной системы.

Реньо Ху из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Nature. «Уэбб расширяет границы описания экзопланет до скалистых планет» Он сказал. «Это действительно открывает возможности для нового вида науки».

55 Cancri e классифицируется как суперземля, так как она примерно в два раза больше Земли в диаметре и немного более плотная. Он вращается так близко к своей звезде, что его поверхность, вероятно, расплавлена и представляет собой океан текущей магмы. Планета, вероятно, также заблокирована приливами: ее дневная сторона всегда обращена к звезде, а ночная сторона находится в вечной темноте.

Несмотря на многочисленные наблюдения с момента открытия транзита в 2011 году, вопрос о том, есть ли у 55 Cancri e атмосфера, остается без ответа. В отличие от атмосфер газового гиганта, более тонкие и плотные атмосферы, окружающие скалистые планеты, остались неуловимыми.

Эта кривая блеска показывает изменение яркости системы 55 Cancri, когда скалистая планета 55 Cancri e, ближайшая из пяти известных планет системы, движется за звездой. Это явление известно как вторичное затмение. Когда планета находится рядом со звездой, свет средней инфракрасной области как от звезды, так и от дневной стороны планеты достигает телескопа, благодаря чему система кажется ярче. Когда планета находится за звездой, свет планеты блокируется, и только свет звезды достигает телескопа, что приводит к уменьшению видимой яркости. Астрономы могут вычесть яркость звезды из общей яркости звезды и планеты, чтобы рассчитать, сколько инфракрасного света исходит с дневной стороны планеты. Затем это используется для расчета дневной температуры и вывода о том, есть ли на планете атмосфера. На графике показаны данные, собранные в режиме спектроскопии низкого разрешения на приборе среднего инфракрасного диапазона Уэбба (MIRI) в марте 2023 года. Каждая из фиолетовых точек данных показывает яркость света в диапазоне длин волн от 7,5 до 11,8 микрон со средним интервалом At. около пяти минут. Лучше всего подходит серая линия или кривая блеска модели, которая наиболее точно соответствует данным. Падение яркости во время вторичного затмения составляет всего 110 частей на миллион, или около 0,011 процента. Температура планеты, рассчитанная на основе этого наблюдения, составляет около 1800 К (около 1500 ° C), что намного ниже, чем можно было бы ожидать, если бы на планете не было атмосферы или она имела тонкую атмосферу из каменного пара. Эта относительно низкая температура указывает на то, что тепло распространяется с дневной стороны планеты на ночную, возможно, через богатую летучими веществами атмосферу.
[Image description: Diagram of a secondary eclipse and a graph of change in brightness over time. Below the diagram is a graph showing the change in brightness of mid-infrared light emitted by the star-planet system over the course of about four and a half hours. The infographic shows that the brightness of the system decreases as the planet moves behind the star.] Источник изображения: НАСА, ЕКА, ККА, Дж. Олмстед (STScI), А. Белло-Аруфе (Лаборатория реактивного движения).

Чтобы отличить планету от атмосферы или просто тонкого слоя испаренной породы, исследователи использовали Webb NIRCam и MIRI для измерения инфракрасного света размером от 4 до 12 микрон, исходящего от планеты. Хотя Уэбб не может получить прямое изображение 55 Cancri e, он может измерить тонкие изменения в свете всей системы, когда планета вращается вокруг звезды.

Команда смогла подсчитать количество инфракрасного излучения различной длины, исходящего с дневной стороны планеты. Этот метод, известный как спектроскопия вторичного затмения, аналогичен методу, используемому другими исследовательскими группами для поиска атмосфер на скалистых экзопланетах.

Первым признаком того, что у 55 Cancri e может быть значительная атмосфера, стали измерения температуры, основанные на ее тепловом излучении. Если планета покрыта темной расплавленной породой с тонкой завесой испаренной породы или не имеет атмосферы, дневная температура должна составлять около 2200 градусов по Цельсию. Вместо этого данные MIRI показали относительно низкую температуру — около 1540 градусов по Цельсию. Это говорит о том, что энергия распространяется от дневной стороны к ночной, скорее всего, через богатую, изменчивую атмосферу.

Спектр теплового излучения, полученный с помощью Webb NIRCam (камеры ближнего инфракрасного диапазона) в ноябре 2022 года и MIRI (прибора среднего инфракрасного диапазона) в марте 2023 года, показывает яркость (ось Y) излучаемого инфракрасного света различной длины (ось X). У гигантской экзопланеты 55 Cancri e. Спектр показывает, что планета может быть окружена атмосферой, богатой углекислым газом или окисью углерода и другими летучими веществами, а не только испаренной породой. На графике сравниваются данные, собранные NIRCam (оранжевые точки) и MIRI (фиолетовые точки), с двумя разными моделями. Модель А, выделенная красным, показывает, как должен был бы выглядеть спектр излучения 55 Cancri e, если бы у нее была атмосфера, состоящая из испаряющейся породы. Модель B, выделенная синим цветом, показывает, как должен был бы выглядеть спектр излучения, если бы на планете была богатая летучими веществами атмосфера, выбрасываемая из океана магмы, содержание летучих веществ которой аналогично мантии Земли. Данные MIRI и NIRCam согласуются с моделью с высоким содержанием летучих веществ. Количество света в среднем инфракрасном диапазоне, излучаемого планетой (MIRI), показывает, что дневная температура намного ниже, чем была бы, если бы у нее не было атмосферы, которая распределяла бы тепло с дневной стороны на ночную. Провал в спектре между 4 и 5 микронами (данные NIRCam) можно объяснить поглощением этих длин волн молекулами угарного газа или углекислого газа в атмосфере. Спектр был получен путем измерения яркости света размером от 4 до 5 микрон с помощью спектрометра Webb NIRCam GRISM и света размером от 5 до 12 микрон с помощью спектрографа MIRI низкого разрешения до, во время и после движения планеты за своей звездой. . вторичное затмение). Величина каждой длины волны, излучаемой планетой (ось Y), рассчитывалась путем вычитания яркости одной звезды (во время вторичного затмения) из совокупной яркости звезды и планеты (до и после затмения). Каждое наблюдение длилось примерно восемь часов. Обратите внимание, что данные NIRCam были сдвинуты по вертикали, чтобы соответствовать модели B. Хотя различия в яркости между каждой длиной волны в диапазоне NIRCam получены из наблюдений (данные указывают на впадину от 4 до 5 микрон), абсолютная яркость ( (вертикальная, следовательно, впадина) не может быть точно измерена из-за шума в данных.
[Image description: Graph showing the brightness of light captured by Webb’s NIRCam and MIRI instruments plotted alongside two different model emission spectra, and an illustration of the planet and its star in the background.] Источник изображения: НАСА, ЕКА, ККА, Дж. Олмстед (STScI), Р. Ху (Лаборатория реактивного движения), А. Белло-Аруфе (Лаборатория реактивного движения), М. Чжан (Чикагский университет), М. Зилинскас (Нидерландский институт космоса SRON). Исследовать) . )

Когда команда посмотрела на данные NIRCam, они увидели закономерности, соответствующие богатой и изменчивой атмосфере. «Мы видим свидетельства провала в спектре между 4 и 5 микронами, и меньше этого света достигает телескопа». Объяснил соавтор Аарон Белло-Арофф, также из Лаборатории реактивного движения. «Это предполагает атмосферу, содержащую окись углерода или двуокись углерода, оба из которых поглощают эти длины волн света».

Это захватывающее открытие расширит наше понимание экзопланет и их атмосфер. Возможности Уэбба также позволят ученым продолжить исследование каменистых планет и расширить границы исследований экзопланет.

Ссылка на журнал

Хе Р., Чжан М., Парагас К., Жилинскас М., ван Ботчем К., Пейс М., Патель Дж., Ито Ю., Дамиано М., Шухер М. , Оза А.В., Кнутсон Х.А., Мигель Ю., Драгомир Д., Брандекер А. и Демори Б. (2024). Вторичная атмосфера на каменистой экзопланете 55 Cancri e. природа, 1-2. Цифровой идентификатор: 10.1038/s41586-024-07432-x