Na obrazach JWST/MIRI widoczny jest tylko punkt świetlny. Niemniej jednak wstępna analiza sugeruje obecność planety gazowej, która może mieć właściwości podobne do Jowisza. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA)
Naukowcy korzystający z JWST uchwycili nowy obraz Eps Ind Ab, super-Jowisz z odległością orbitalną znacznie większą niż wcześniej szacowano.
To odkrycie podkreśla zimniejsze egzoplaneta niż zwykle obserwuje się, skłania do ponownej oceny jej masy i orbity, oferując jednocześnie nową metodę badania odległych zimnych gazowych olbrzymów poprzez bezpośrednie obrazowanie i analizę widmową.
Obrazowanie nowej egzoplanety
„Byliśmy podekscytowani, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że wykonaliśmy zdjęcia tej nowej planety” – powiedziała Elisabeth Matthews, badaczka z Instytutu Astronomii Maxa Plancka w Heidelbergu w Niemczech. Jest główną autorką artykułu badawczego opublikowanego dzisiaj (24 lipca) w czasopiśmie Natura. „Ku naszemu zdziwieniu jasny punkt pojawił się w naszym MIRI obrazy nie odpowiadały oczekiwanej pozycji planety” – zauważa Matthews. „Poprzednie badania prawidłowo zidentyfikowały planetę w tym układzie, ale nie doceniły masy i separacji orbit tego gazowego olbrzyma super-Jowisza”. Dzięki pomocy JWST zespołowi udało się wyprostować sytuację.
To wykrycie jest dość niezwykłe pod kilkoma względami. Pokazuje pierwszą egzoplanetę sfotografowaną za pomocą JWST, która nie była jeszcze sfotografowana z Ziemi i jest znacznie zimniejsza niż planety gazowe badane dotychczas przez JWST. „Obraz” oznacza, że planeta pojawia się na zdjęciach jako jasna kropka, co stanowi bezpośredni dowód. Metody tranzytu i prędkości radialnej są dowodem pośrednim, ponieważ planeta ujawnia się jedynie poprzez swój pośredni efekt.
Wstawki przedstawiają przycięte wersje obrazów MIRI uzyskanych w zakresie fal średniej podczerwieni 10,65 (po lewej) i 15,55 mikrometra (po prawej), które przedstawiają obszar wokół gwiazdy Eps Ind A, której położenie jest oznaczone symbolami gwiazd. Koronograf blokuje światło gwiazdy, które przyćmiłoby oba zdjęcia. Zamiast tego w lewym górnym rogu widoczny będzie nowy obiekt. Źródłem tym jest egzoplaneta Eps Ind Ab. Tło uzyskano z przeglądu nieba AllWISE. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA)
Przegląd orbity i charakterystyki Eps Ind Ab
Planeta obraca się wokół głównego składnika pobliskiego układu potrójnego gwiazd Epsilon Indi, w skrócie Eps Ind. Konwencje astronomiczne przypisują etykietę Eps Ind A tej gwieździe głównej, czerwonemu karłowi, nieco mniejszemu i chłodniejszemu od Słońca. Aby skonstruować nazwę planety, dodaje się literę „b”, co daje oznaczenie Eps Ind Ab.
Nowe dane JWST są zgodne z tym, że superjowisz ma masę sześciokrotnie większą od Jowisza w Układzie Słonecznym. Eps Ind Ab krąży wokół swojej gwiazdy macierzystej po ekscentrycznej, eliptycznej orbicie, której najdalsza odległość od Eps Ind A powinna wynosić od 20 do 40 jednostek astronomicznych. Jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość między Ziemią a Słońcem, wynosząca około 150 milionów kilometrów. Nowe wartości znacznie różnią się od wcześniejszych badań, dlatego zespół nazwał tę planetę „nową”.
Ten film z zoomem zaczyna się od szerokokątnego widoku nieba ze środkiem na gwiazdę Eps Ind A. Kończy się zdjęciem Eps Ind Ab uzyskanym za pomocą kamery MIRI JWST. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA)
Fajne planety, gorąca nauka
Do tej pory znanych jest tylko kilka zimnych planet-olbrzymów gazowych krążących wokół gwiazd w wieku słonecznym, a wszystkie zostały wywnioskowane pośrednio z pomiarów prędkości radialnych. Obrazując i rejestrując widma planet, astronomowie mogą badać ich atmosfery i śledzić ewolucję układów planetarnych w porównaniu z modelami obliczeniowymi. Badanie planet w w pełni ustabilizowanych układach planetarnych pomaga załatać luźne wątki dotyczące późnych etapów ewolucji planet i udoskonalić nasze ogólne zrozumienie powstawania i ewolucji planet.
Ostatnie obserwacje umożliwiły odkrycie znacznie większej liczby takich zimnych gazowych olbrzymów. Umożliwią one astronomom badanie nowej klasy egzoplanet i porównywanie ich z gazowymi gigantami Układu Słonecznego.
Wyzwania w wykrywaniu odległych egzoplanet
Jednak planety te są trudne do znalezienia przy użyciu klasycznych metod wykrywania. Planety oddalone od swoich gwiazd macierzystych są zazwyczaj bardzo zimne, w przeciwieństwie do gorących Jowiszów, które krążą wokół ich gwiazd w odległości zaledwie kilku promieni gwiazd. Jest bardzo mało prawdopodobne, aby szerokie orbity ułożyły się wzdłuż linii wzroku i wytworzyły sygnał tranzytowy. Ponadto pomiar ich sygnałów metodą prędkości radialnej jest wyzwaniem, gdy można monitorować tylko niewielką część orbity.
Wcześniejsze badania podejmowały próbę zbadania olbrzymiej planety krążącej wokół Eps Ind A za pomocą pomiarów prędkości radialnej. Jednak ekstrapolacja niewielkiej części orbity doprowadziła do błędnych wniosków na temat właściwości planety. W końcu Eps Ind Ab potrzebuje około 200 lat, aby okrążyć swoją gwiazdę. Kilkuletnie obserwacje nie są wystarczające, aby określić orbitę z dużą precyzją.
Wykorzystanie zaawansowanej technologii do bezpośredniego obrazowania
Dlatego zespół skupiony wokół Matthewsa opracował inne podejście. Chcieli zrobić zdjęcie znanej planety metodą powszechnie znaną jako obrazowanie bezpośrednie. Ponieważ gwiazdy macierzyste egzoplanet są tak jasne, przyćmiewają każdy inny pobliski obiekt. Zwykłe kamery byłyby przytłoczone oślepiającym światłem gwiazd.
Z tego powodu zespół wykorzystał kamerę MIRI (instrument średniej podczerwieni) firmy JWST wyposażoną w koronograf. Ta maska blokująca światło pokrywa gwiazdę niczym sztuczne zaćmienie. Kolejną zaletą jest bliskość Eps Ind od Ziemi, która wynosi zaledwie 12 lat świetlnych. Im mniejsza odległość do gwiazdy, tym większa jest odległość między dwoma obiektami na zdjęciu, co daje większą szansę na złagodzenie zakłóceń gwiazdy macierzystej. MIRI był idealnym wyborem, ponieważ prowadzi obserwacje w podczerwieni lub w podczerwieni, gdzie zimne obiekty świecą jasno.
Co wiemy o Eps Ind Ab?
„Odkryliśmy w naszych danych sygnał, który nie pasuje do oczekiwanej egzoplanety” – mówi Matthews. Punkt świetlny na obrazie nie znajdował się w przewidywanym miejscu. „Ale planeta nadal sprawiała wrażenie gigantycznej” – dodaje Matthews. Jednak zanim mogli dokonać takiej oceny, astronomowie musieli wykluczyć, że sygnał pochodzi ze źródła tła niezwiązanego z Eps Ind A.
„Zawsze trudno mieć pewność, ale z danych wynika, że sygnał pochodzi z pozagalaktycznego źródła tła” – wyjaśnia Leindert Boogaard, inny naukowiec z MPIA i współautor artykułu badawczego. Rzeczywiście, przeglądając astronomiczne bazy danych w poszukiwaniu innych obserwacji Eps Ind, zespół natknął się na dane obrazowe z 2019 roku uzyskane za pomocą kamery na podczerwień VISIR podłączonej do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) Bardzo duży teleskop (VLT). Po ponownej analizie zdjęć zespół znalazł słaby obiekt dokładnie w miejscu, w którym powinien się znajdować, gdyby źródło sfotografowane za pomocą JWST należało do gwiazdy Eps Ind A.
Naukowcy podjęli także próbę zrozumienia atmosfery egzoplanety w oparciu o dostępne zdjęcia planety w trzech kolorach: dwa z JWST/MIRI i jeden z VLT/VISIR. Eps Ind Ab jest słabszy niż oczekiwano przy krótkich falach. Może to wskazywać na znaczne ilości ciężkich pierwiastków, szczególnie węgla, który buduje cząsteczki takie jak metan, dwutlenek węgla i tlenek węgla, powszechnie spotykane na planetach gazowych-olbrzymach. Alternatywnie może to wskazywać, że planeta ma pochmurną atmosferę. Jednak aby dojść do ostatecznych wniosków, potrzeba więcej pracy.
Przyszłe kierunki badań
Niniejsza praca jest jedynie pierwszym krokiem w kierunku scharakteryzowania Eps Ind Ab. „Naszym kolejnym celem jest uzyskanie widm, które zapewnią nam szczegółowy obraz klimatologii i składu chemicznego planety” – mówi Thomas Henning, emerytowany dyrektor MPIA, współkierownik instrumentu MIRI i współautor artykułu.
„W dłuższej perspektywie mamy nadzieję obserwować także inne pobliskie układy planetarne w poszukiwaniu zimnych gazowych olbrzymów, które mogły umknąć wykryciu” – mówi Matthews. „Takie badanie posłużyłoby jako podstawa do lepszego zrozumienia procesu powstawania i ewolucji planet gazowych”.
Odniesienie: „Umiarkowany superjowisz sfotografowany za pomocą obrazowania w średniej podczerwieni JWST” 24 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07837-8
Naukowcy z MPIA zaangażowani w to badanie to Elisabeth Matthews, Leindert Boogaard i Thomas Henning.
Inni badacze to Aarynn Carter (Instytut Naukowy Teleskopów KosmicznychBaltimore, USA), Caroline Morley (Uniwersytet Teksasu w Austin, Austin, USA) i Prashant Pathak (Indyjskie Instytuty Technologiczne, Kanpur, Indie).
Konsorcjum MIRI składa się z państw członkowskich ESA: Belgii, Danii, Francji, Niemiec, Irlandii, Holandii, Hiszpanii, Szwecji, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii. Prace konsorcjum finansują krajowe organizacje naukowe – w Niemczech Towarzystwo Maxa Plancka (MPG) i Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR). Niemieckie instytucje biorące udział w projekcie to Instytut Astronomii Maxa Plancka w Heidelbergu, Uniwersytet w Kolonii i Hensoldt AG w Oberkochen, dawniej Carl Zeiss Optronics.
JWST to wiodące na świecie obserwatorium nauk kosmicznych. Jest to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wspólnie ze swoimi partnerami, ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) i CSA (Kanadyjska Agencja Kosmiczna).
