Космічний телескоп Джеймса Вебба готовий підійняти імлу, що оточує субнептуни

Більша частина систем із сонцеподібними зірками, досліджених у Чумацькому Шляху, містять планети таємничого типу, не схожі на жодну у нашій Сонячній системі.

Про це розповідають у Центрі космічних польотів НАСА ім. Годдарда.

Більші за Землю, менші за Нептун та обертаються ближче до своїх зірок, ніж Меркурій до Сонця, ці від-теплого-до-гарячих субнептуни є найпоширенішим типом планет, що спостерігаються в галактиці. Але хоча дослідникам вдалося виміряти основні властивості сотень цих планет — включно з розміром, масою та орбітою — їх фундаментальна природа залишається неясною.

Чи вони щільні, землеподібні кулі з каменю та заліза, вкриті товстими шарами газу водню та гелію? Або менш щільні суміші каменів і льоду, оточені парною, насиченою водою атмосферою? З огляду на обмеженість даних і відсутність планет подібних розмірів та орбіт у нашій Сонячній системі, які можна було б використати для порівняння, відповісти на ці запитання важко.

«Що це за планети? Як вони утворюються? Чому їх немає в нашій Сонячній системі? Це фундаментальні питання», - пояснює Джейкоб Бін, астроном з Чиказького університету, який керував численними спостереженнями за екзопланетами.

Проблема з імлою

Ключем до з’ясування того, з чого складаються субнептуни та як вони утворилися, є вивчення їх атмосфери. Але отримати чіткий погляд непросто.

Найефективнішим методом аналізу атмосфер екзопланет є методика, відома як трансмісійна спектроскопія. Коли планета проходить перед своєю зорею, деякі довжини хвиль (кольори) зоряного світла відфільтровуються газами в атмосфері планети. Оскільки кожен тип газу має унікальний "підпис", або набір довжин хвиль, які він поглинає, можна з’ясувати з чого складається атмосфера на основі патернів у спектрі пропускання.

Ця техніка була успішною для багатьох екзопланет, але не для більшості субнептунів. «Атмосферних спостережень за планетами субнептунами було дуже мало», — пояснює Еліза Кемптон з Університету Мериленду у Коледж-Парку, яка спеціалізується на теоретичному моделюванні атмосфер екзопланет. «І більшість з них були незадовільними у тому, що спектри не показали багато з тих спектральних особливостей, які б дозволили нам ідентифікувати гази в атмосфері».

Ймовірно, проблема в аерозолях – крихітних частинках і крапельках, які утворюють хмари або серпанок. Ці частинки розсіюють зоряне світло, розмиваючи виразні спектральні піки на тонкі хвилясті та роблячи спектр практично марним для визначення складу газу.

Але дослідники впевнені, що з Веббом на горизонті з′явиться набагато чіткіший погляд на субнептуни. Дві програми спостереження, які очолювали Бін і Кемптон і які заплановані на перший рік роботи Вебба, використовуватимуть його унікальні потужні можливості для дослідження двох планет субнептунового розміру: GJ 1214 b, архетип субнептуна; та TOI-421 b, більш недавнє відкриття.

Архетип субнептуна: GJ 1214 b

Ілюстрація, що показує, як могла б виглядати екзопланета GJ 1214 b на основі поточної інформації. GJ 1214 b має радіус 2,74 земного, масою у 8,2 земного та щільністю у 2,2 більшій за щільність води. Це тепла екзопланета субнептунового розміру, яка знаходиться на відстані приблизно 48 світлових років від Землі, є однією з найбільш вивчених екзопланет у нашій галактиці. Попередні спектроскопічні спостереження вказують на те, що планета оповита аерозолями (хмарами або серпанком), які досі унеможливлювали визначення складу газів, які складають її товсту атмосферу. Credits: NASA, ESA, CSA, and D. Player (STScI)

GJ 1214 b, теплий субнептун, що обертається навколо сусідньої зорі-червоного карлика, був предметом десятків досліджень. Його короткий орбітальний період, великі розміри відносно зорі та порівняльна близькість до Землі роблять його легким (як для екзопланет) для ефективного спостереження, а статус еталонного субнептуна — і, за словами Біна, «найзагадковішої екзопланети, про яку ми знаємо», — робить його гідним об’єктом дослідження.

Команда використовуватиме Середньо-інфрачервоний інструмент Вебба (MIRI) для спостережень за системою GJ 1214 майже безперервно протягом майже 50 годин, поки планета проходить трохи більше однієї повної орбіти. Потім вони проаналізують дані трьома різними способами, щоб звузити круг можливих комбінацій газів та аерозолів, які складають атмосферу GJ 1214 b.

• Трансмісійна спектроскопія: якщо таких молекул, як вода, метан або аміак, є багато, вони повинні бути очевидними у трансмісійному спектрі. Світло середньо-інфрачервоного діапазону не повинно розсіюватися аерозолями, так само як видиме та ближнє інфрачервоне світло.
• Теплова емісійна спектроскопія: світло у середньому інфрачервоному діапазоні, яке випромінює сама планета, надасть інформацію про температуру та відбивну здатність планети, на обидва з яких впливає атмосфера. Наприклад, планета, оточена темною, сажистою імлою, що поглинає світло, буде теплішою, ніж планета, покрита яскравими, світловідбивними хмарами.
• Картографування температури фазової кривої: хоча Вебб не зможе безпосередньо спостерігати GJ 1214 b (планета занадто близько до своєї зорі), він досить чутливий, щоб вимірювати дуже тонкі зміни загальної кількості світла від системи, коли планета рухається по орбіті навколо зорі. Дослідники використовуватимуть фазову криву GJ 1214 b, графік залежності яскравості від фази (тобто, скільки денної сторони планети повернуто до телескопа) для відображення середньої температури планети у залежності від довготи. Це надасть додаткову інформацію про циркуляцію та склад атмосфери.

Гарячий субнептун TOI-421 b

Ілюстрація того, як може виглядати екзопланета TOI-421 b. TOI-421 b має радіус 2,68 земного, масою у 7,2 земного та щільністю у 2,05 більшій за щільність води. Це гаряча екзопланета субнептунового розміру, яка обертається навколо схожої на Сонце зорі, на відстані приблизно 244 світлових років від Землі. Вважається, що TOI-421 b має чисту атмосферу без серпанку та хмар. Credits: NASA, ESA, CSA, and D. Player (STScI)

Незрозуміло, з чого складаються аерозолі, що оточують теплі субнептуни, такі як GJ 1214 b, але вони можуть бути схожими на ті, що утворюють смого-подібний серпанок, знайдений на супутнику Сатурна Титані. Для перевірки цієї гіпотези дослідники вирішили націлитися на TOI-421 b, планету, яка за розміром і щільністю подібна до GJ 1214 b, але вважається занадто гарячою для існування сажистого серпанку.

Вебб двічі спостерігатиме за TOI-421 b під час його проходження перед своєю зіркою: один раз за допомогою "Ближньо-інфрачервоного візуалізатора та безщілинного спектрографа" (NIRISS) і другий раз за допомогою "Ближньо-інфрачервоного спектрографа" (NIRSpec) для отримання повного спектра трансмісії ближнього інфрачервоного випромінювання планети. Якщо гіпотеза правильна та небо TOI-421 b чисте, спектр можна використовувати для вимірювання достатку таких молекул, як вода, метан і вуглекислий газ. Якщо виявиться, що TOI-421 b все-таки має проблему з аерозолями, команда використає отримані дані для кращого розуміння, з чого складаються ці аерозолі.

Кемптон і Бін впевнені, що, досліджуючи невловні атмосфери субнептунів різними способами за допомогою Вебба, вчені нарешті почнуть розуміти не лише ці два конкретні об’єкти, а й цілий клас планет.

Як спостереження за допомогою MIRI за GJ 1214 b, так і спостереження NIRISS і NIRSpec за TOI-421 b проводитимуться у рамках циклу 1 програми Загальні спостерігачі Вебба. Програми Загальні спостерігачі були відібрані на конкурсній основі за допомогою системи подвійного анонімного рецензування, тієї ж системи, яка використовувалася для розподілу часу на Хабблі.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.