Космический телескоп Джеймса Уэбба готов поднять мглу, окружающую субнептуны

Большинство систем с солнцеподобными звездами, исследованными в Млечном Пути, содержат планеты таинственного типа, не похожие ни на одну в нашей Солнечной системе.

Об этом рассказывают в Центре космических полетов НАСА им. Годдарда.

Больше Земли, меньше Нептуна и вращаются ближе к своим звездам, чем Меркурий к Солнцу, эти от-теплого-до-горячих субнептуны являются самым распространенным типом планет среди наблюдающихся в галактике. Но хотя исследователям удалось измерить основные свойства сотен этих планет — включая размер, массу и орбиту — их фундаментальная природа остается неясной.

Может они плотные, землеподобные шары из камня и железа, покрытые толстыми слоями газа водорода и гелия? Или менее плотные смеси камней и льда окруженные парной, насыщенной водой атмосферой? Учитывая ограниченность данных и отсутствие планет подобных размеров и орбит в нашей Солнечной системе, которые можно было бы использовать для сравнения, ответить на эти вопросы трудно.

«Что это за планеты? Как они образуются? Почему их нет в нашей Солнечной системе? Это фундаментальные вопросы», - объясняет Джейкоб Бин, астроном из Чикагского университета, руководивший многочисленными наблюдениями за экзопланетами.

Проблема с дымкой

Ключ к выяснению того, из чего состоят субнептуны и как они образовались, является изучение их атмосферы. Но получить внятный взгляд непросто.

Наиболее эффективным методом анализа атмосфер экзопланет является методика, известная как трансмиссионная спектроскопия. Когда планета проходит перед своей звездой, некоторые длины волн (цвета) звездного света отфильтровываются газами в атмосфере планеты. Поскольку каждый тип газа имеет уникальную "подпись" или набор длин волн, которые он поглощает, можно выяснить из чего состоит атмосфера на основе паттернов в спектре пропускания.

Эта техника была успешной для многих экзопланет, но не для большинства субнептунов. «Атмосферных наблюдений за планетами субнептунами было очень мало», - объясняет Элиза Кэмптон из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, специализирующаяся на теоретическом моделировании атмосфер экзопланет. «И большинство из них были неудовлетворительными в том, что спектры не показали многие из спектральных особенностей, которые позволили бы нам идентифицировать газы в атмосфере».

Вероятно, проблема в аэрозолях – крошечных частицах и капельках, образующих облака или дымку. Эти частицы рассеивают звездный свет, размывая отчетливые спектральные пики на тонкие волнистые и делая спектр практически бесполезным для определения состава газа.

Но исследователи уверены, что с Уэббом на горизонте появится гораздо более четкий взгляд на субнептуны. Две программы наблюдения, возглавляемые Бином и Кэмптоном и запланированные на первый год работы Уэбба, будут использовать его уникальные мощные возможности для исследования двух планет субнептунового размера: GJ 1214 b, архетип субнептуна; и TOI-421 b, более недавнее открытие.

Архетип субнептуна: GJ 1214 b

Иллюстрация показывает, как могла бы выглядеть экзопланета GJ 1214 b на основе текущей информации. GJ 1214 b имеет радиус 2,74 земного, массой в 8,2 земного и плотностью в 2,2 больше плотности воды. Это теплая экзопланета субнептунового размера, которая находится на расстоянии примерно 48 световых лет от Земли, является одной из наиболее изученных экзопланет в нашей галактике. Предыдущие спектроскопические наблюдения указывают на то, что планета окутана аэрозолями (облаками или дымкой), которые до сих пор делали невозможным определение состава газов, составляющих ее толстую атмосферу. Credits: NASA, ESA, CSA, и D. Player (STScI)

GJ 1214 b, теплый субнептун, вращающийся вокруг соседней звезды красного карлика, был предметом десятков исследований. Его короткий орбитальный период, большие размеры относительно звезды и сравнительная близость к Земле делают его легким (как для экзопланет) для эффективного наблюдения, а статус эталонного субнептуна — и, по словам Бина, «самой загадочной экзопланеты, о которой мы знаем», — делает его достойным объектом исследования.

Команда будет использовать Средне-инфракрасный инструмент (MIRI) Вебба для наблюдений за системой GJ 1214 почти непрерывно в течение почти 50 часов, пока планета проходит чуть больше одной полной орбиты. Затем они проанализируют данные тремя разными способами, чтобы сузить круг возможных комбинаций газов и аэрозолей, составляющих атмосферу GJ 1214 b:

• Трансмиссионная спектроскопия: если таких молекул, как вода, метан или аммиак, много, они должны быть очевидны в трансмиссионном спектре. Свет средне-инфракрасного диапазона не должен рассеиваться аэрозолями, равно как видимый и ближний инфракрасный свет.
• Тепловая эмиссионная спектроскопия: свет в среднем инфракрасном диапазоне, излучаемый самой планетой, предоставит информацию о температуре и отражательной способности планеты, на оба из которых влияет атмосфера. Например, планета, окруженная темной, сажистой мглой, поглощающей свет, будет теплее планеты, покрытой яркими, светоотражающими облаками.
• Картографирование температуры фазовой кривой: хотя Уэбб не сможет непосредственно наблюдать GJ 1214 b (планета слишком близка к своей звезде), он достаточно чувствителен, чтобы измерять очень тонкие изменения общего количества света от системы, когда планета движется по орбите вокруг звезды. Исследователи будут использовать фазовую кривую GJ 1214 b, график зависимости яркости от фазы (т.е. сколько дневной стороны планеты повернуто к телескопу) для отображения средней температуры планеты в зависимости от долготы. Это предоставит дополнительную информацию о циркуляции и составе атмосферы.

Горячий субнептун TOI-421b

Иллюстрация того, как может выглядеть экзопланета TOI-421 b. TOI-421 b имеет радиус 2,68 земного, массой в 7,2 земного и плотностью в 2,05 больше плотности воды. Это горячая экзопланета субнептунового размера, вращающаяся вокруг похожей на Солнце звезды, на расстоянии примерно 244 световых лет от Земли. Считается, что TOI-421 b имеет чистую атмосферу без дымки и облаков. Credits: NASA, ESA, CSA, и D. Player (STScI)

Непонятно, из чего состоят аэрозоли, окружающие теплые субнептуны, такие как GJ 1214 b, но они могут походить на те, что образуют смогообразную дымку, найденную на спутнике Сатурна Титане. Для проверки этой гипотезы исследователи решили нацелиться на TOI-421 b, планету, которая по размеру и плотности подобна GJ 1214 b, но считается слишком горячей для существования сажистой дымки.

Уебб будет дважды наблюдать за TOI-421 b во время его прохождения перед своей звездой: один раз с помощью "Ближне-инфракрасного визуализатора и бесщелевого спектрографа" (NIRISS) и второй раз с помощью "Ближне-инфракрасного спектрографа" (NIRSpec) для получения полного спектра трансмиссии ближнего инфракрасного излучения планеты. Если гипотеза верна и небо TOI-421 b чисто, спектр можно использовать для измерения изобилия таких молекул, как вода, метан и углекислый газ. Если окажется, что TOI-421 b все-таки испытывает проблему с аэрозолями, команда использует полученные данные для лучшего понимания, из чего состоят эти аэрозоли.

Кэмптон и Бин уверены, что, исследуя неуловимые атмосферы субнептунов разными способами с помощью Уэбба, ученые наконец-то начнут понимать не только эти два конкретных объекта, но и целый класс планет.

Как наблюдения с помощью MIRI за GJ 1214 b, так и наблюдения NIRISS и NIRSpec за TOI-421 b будут проводиться в рамках Цикла 1 программы Общие наблюдатели Уебба. Общие наблюдатели были отобраны на конкурсной основе с помощью системы двойного анонимного рецензирования, той же системы, которая использовалась для распределения времени на Хаблле.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.