Nowe obserwacje TRAPPIST-1b przy użyciu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczyły szczegółowych informacji na temat potencjalnych atmosfer egzoplanet krążących wokół czerwonych karłów.
W badaniu przeanalizowano dane dotyczące szerokopasmowej emisji termicznej i zbadano możliwość istnienia nagiej powierzchni skały oraz atmosfery o znacznej zawartości CO2 i zamglenia, co mogłoby wyjaśnić zaobserwowane inwersje termiczne.
Obserwacje TRAPPIST-1 i badania egzoplanet
Nowe obserwacje TRAPPIST-1 z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) podkreślają wyzwania związane z potwierdzeniem atmosfery planety przy użyciu wyłącznie danych szerokopasmowej emisji termicznej. Odkrycie to jest szczególnie istotne, ponieważ Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych (STScI) zatwierdziła niedawno „Skaliste światy”, który wykorzysta tę metodę do badania kilku skalistych egzoplanet krążących wokół chłodnych gwiazd.
JWST zmienia sposób badania egzoplanet – planet znajdujących się poza naszym Układem Słonecznym – umożliwiając szczegółową analizę spektroskopową małych, skalistych światów. Jednak ta zdolność sprawdza się najlepiej w przypadku planet krążących wokół pobliskich „czerwonych karłów”, najmniejszych, najchłodniejszych i najmniej masywnych gwiazd. Jednym z głównych celów JWST jest TRAPPIST-1, czerwony karzeł o małej masie, na którym znajduje się siedem skalistych planet wielkości Ziemi, w tym trzy w ekosferze gwiazdy. Ten niezwykły układ został odkryty w 2017 roku przez międzynarodowy zespół kierowany przez astronoma z ULiège Michaëla Gillona.
Zagłęb się w analizę atmosferyczną TRAPPIST-1b
Najbardziej wewnętrzna planeta, TRAPPIST-1 b, została niedawno szczegółowo zaobserwowana przez JWST w zakresie średniej podczerwieni – rodzaju światła, na które nasze oczy nie są wrażliwe. Międzynarodowy zespół badaczy właśnie opublikował dzisiaj (16 grudnia) w Astronomia przyrodnicza pełną analizę wszystkich danych w średniej podczerwieni zebranych na TRAPPIST-1 b, w celu ustalenia, czy planeta ta posiada atmosferę.
„Planety krążące wokół czerwonych karłów to nasza największa szansa na zbadanie po raz pierwszy atmosfer planet skalistych o klimacie umiarkowanym, czyli tych, które otrzymują strumienie gwiazdowe pomiędzy Merkurym i Merkurym Mars”, wyjaśnia Elsa Ducrot, współautorka badania i asystentka astronoma w Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) w Paryżu we Francji. „Planety TRAPPIST-1 stanowią idealne laboratorium do tych przełomowych badań.
W poprzedniej obserwacji przeprowadzonej za pomocą JWST zmierzono emisję podczerwieni TRAPPIST-1 b przy 15 mikronach i zasugerowano, że gruby CO2-bogata atmosfera była mało prawdopodobna (Greene i in., 2023). Wniosek ten opierał się na fakcie, że CO2 silnie pochłania promieniowanie o tej długości fali, co znacznie zmniejszyłoby obserwowany strumień, gdyby istniała taka atmosfera. Z badania wynika, że pomiar był najbardziej zgodny ze scenariuszem „ciemnej, nagiej skały” – planety bez atmosfery i ciemnej powierzchni, która pochłania prawie całe światło gwiazd. Jednak pojedynczy pomiar na jednej długości fali był niewystarczający, aby wykluczyć wszystkie potencjalne scenariusze atmosferyczne
W nowym badaniu autorzy rozszerzyli swoją pracę, mierząc strumień planety przy innej długości fali, 12,8 mikrona. Przeprowadzili globalną analizę wszystkich dostępnych danych JWST i porównali te obserwacje z modelami powierzchni i atmosfery, aby określić scenariusz, który najlepiej pasuje do danych.
Pokonanie skażenia gwiazd w badaniach egzoplanet
Najczęściej stosowaną metodą ustalania, czy plik egzoplaneta ma atmosferę – spektroskopia transmisyjna tranzytowa – polega na obserwacji jej „tranzytów”, tj. przejścia przed gwiazdą macierzystą na różnych długościach fal oraz wykryciu i zmierzeniu maleńkiej części światła emitowanego przez gwiazdę w naszym kierunku, które jest pochłaniane przez jej gwiazdę atmosfera, która jest wskaźnikiem jej składu chemicznego. „Jednak czerwone karły o bardzo małej masie stanowią pod tym względem problem” – wyjaśnia profesor Michaël Gillon (ULiège), autor badania. „Ich powierzchnia nie jest jednorodna, a ta niejednorodność może zanieczyścić widmo transmisyjne planet tranzytujących i naśladować cechy atmosferyczne”. Zjawisko takie zaobserwowano kilkukrotnie za pomocą JWST podczas obserwacji tranzytów planet wokół czerwonych karłów.
Jednym ze sposobów przezwyciężenia zanieczyszczenia gwiazdowego i uzyskania informacji o obecności (lub braku) atmosfery jest bezpośredni pomiar ciepła planety poprzez obserwację spadku strumienia, gdy planeta przechodzi za gwiazdę (zdarzenie zwane zakryciem). Obserwując gwiazdę tuż przed i w trakcie zakrycia, możemy wywnioskować ilość światła podczerwonego docierającego z planety.
„Emisja szybko stała się preferowaną metodą badania skalistych egzoplanet krążących wokół czerwonych karłów w ciągu pierwszych dwóch lat JWST” – wyjaśnia Pierre Lagage, współautor badania i kierownik wydziału astrofizyki w Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) w Paryż, Francja. „W przypadku planet TRAPPIST-1 pierwsze informacje pochodzą z pomiarów emisji, ponieważ nadal trudno jest rozdzielić sygnały atmosferyczne i gwiazdowe podczas tranzytu.
Nowe podejście i zaskakujące wyniki
Odzwierciedlając to rosnące zainteresowanie, Instytut Naukowy Teleskopu Kosmicznego (STScI), który zarządza operacjami JWST, zatwierdził niedawno trwający 500 godzin program DDT o nazwie „Rocky Worlds” mający na celu badanie atmosfer ziemskich egzoplanet wokół pobliskich gwiazd karłowatych typu M za pomocą dokładnie takie samo podejście jak autorzy, poprzez obserwacje okultystyczne, ale tylko przy 15 mikronach.
Wyniki badania nie są zbyt spójne ze scenariuszem „ciemnej, gołej powierzchni” zaproponowanym przez Greene’a i in. Autorzy odkryli, że niezbyt szara, naga powierzchnia złożona ze skał ultramaficznych (skał wulkanicznych wzbogaconych w minerały) lepiej wyjaśnia dane.
Alternatywnie udało im się wykazać, że atmosfera zawierająca dużą ilość CO2 i zamglenie mogą również wyjaśniać obserwacje. Był to zaskakujący wynik, ponieważ CO2-bogata atmosfera wydawała się nie do pogodzenia z silną emisją przy 15 mikronach. Jednakże mgła może radykalnie zmienić sytuację: może skutecznie absorbować światło gwiazd i sprawić, że górne warstwy atmosfery będą cieplejsze niż dolne warstwy, tworząc tzw. „inwersję termiczną”, podobnie jak ziemska stratosfera. Ta inwersja powoduje CO₂ emitować światło, zamiast je absorbować, co skutkuje większym strumieniem przy 15 mikronach niż przy 12,8 mikronach.
Przyszłe kierunki badań atmosfery egzoplanet
„Te inwersje termiczne są dość powszechne w atmosferach ciał Układu Słonecznego, a być może najbardziej podobnym przykładem jest mglista atmosfera Saturnksiężyc Tytan. Jednak oczekuje się, że skład chemiczny atmosfery TRAPPIST-1b będzie bardzo różny od składu chemicznego Tytana lub któregokolwiek ze skalistych ciał Układu Słonecznego i fascynująca jest myśl, że możemy mieć do czynienia z atmosferą, jakiej nigdy wcześniej nie widzieliśmy” – wyjaśnia dr Michiel Min z Holenderskiego Instytutu Badań Kosmicznych SRON.
Autorzy zauważają jednak, że ten model atmosfery, choć zgodny z danymi, pozostaje mniej prawdopodobny niż scenariusz z nagą skałą. Jego złożoność i kwestie związane z tworzeniem się zmętnienia i długoterminową stabilnością klimatu na TRAPPIST-1 b sprawiają, że jest to model trudny do wdrożenia. Aby zbadać te kwestie, potrzebne będą przyszłe badania, w tym zaawansowane modelowanie 3D. Mówiąc bardziej ogólnie, zespół podkreśla trudność określenia z całą pewnością powierzchni planety lub składu atmosfery przy użyciu jedynie pomiarów emisji w kilku długościach fali, podkreślając jednocześnie dwa przekonujące scenariusze, które zostaną zbadane bardziej szczegółowo podczas kolejnych obserwacji TRAPPIST-1 b.
Co dalej?
„Chociaż oba scenariusze pozostają wykonalne, nasze ostatnie obserwacje krzywej fazowej TRAPPIST-1 b – która śledzi przepływ planety na jej orbicie – pomogą rozwiązać zagadkę” – mówi profesor Michaël Gillon, który współkieruje nowym programem JWST z doktor Elsą Ducrot. Dodaje: „Analizując efektywność redystrybucji ciepła na planecie, astronomowie mogą wywnioskować obecność atmosfery. Jeśli istnieje atmosfera, ciepło powinno być rozprowadzane z dziennej strony planety na nocną; bez atmosfery redystrybucja ciepła byłaby minimalna.”
Zatem wkrótce powinniśmy dowiedzieć się więcej na temat obecności lub braku atmosfery wokół wewnętrznej planety TRAPPIST-1.
Odniesienie: „Połączona analiza JWST/12,8 i 15 µmMIRI obserwacje zaćmień TRAPPIST-1 b”16 grudnia 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02428-z
