“Вебб” ідентифікував метан в атмосфері екзопланети

За допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, використовуючи методи транзиту та затемнення, вперше виявлено метан в атмосфері планети поза нашою Сонячною системою.

Про значення виявлення метану в атмосферах екзопланет і про те, як спостереження "Вебба" допомогли ідентифікувати цю довгоочікувану молекулу, розповіли в блогах НАСА Тейлор Белл з Науково-дослідного інституту екології Агломерації затоки (BAERI), який працює в Дослідницькому центрі НАСА імені Еймса в Кремнієвій долині Каліфорнії, і Луїс Велбанкс з Університету штату Аризона.

"Вебб" спостерігав за екзопланетою WASP-80 b під час її проходження перед і за своєю зорею, виявивши спектри, які свідчать про наявність в її атмосфері газу метану та водяної пари. Якщо водяну пару було виявлено більш ніж на десятці планет, то метан — молекула, яка удосталь присутня в атмосферах Юпітера, Сатурна, Урану й Нептуна в нашій Сонячній системі, — донедавна залишався невловним в атмосферах транзитних екзопланет під час дослідження за допомогою космічної спектроскопії.

Температура WASP-80 b становить близько 825 кельвінів (близько 552 градусів за Цельсієм), що вчені називають "теплим юпітером". Це планети, які за розміром і масою схожі на планету Юпітер у нашій Сонячній системі, але мають температуру, проміжну між температурою гарячих юпітерів, таких як HD 209458 b (перша виявлена транзитна екзопланета) з 1450 K (1177 ℃), та холодних юпітерів, таких як наш власний Юпітер, температура якого становить близько 125 K (-148 ℃).

WASP-80 b обертається навколо своєї зорі-червоного карлика раз на три дні й знаходиться на відстані 163 світлових років від нас у сузір′ї Орел. Оскільки планета перебуває так близько до своєї зорі й обидві вони так далекі від нас, ми не можемо побачити планету безпосередньо навіть за допомогою найсучасніших телескопів, таких як “Вебб”. Натомість вивчається комбіноване світло від зорі й планети за допомогою транзитного методу (який був використаний для відкриття більшості відомих екзопланет) і методу затемнення.

Використовуючи транзитний метод, дослідники спостерігали цю систему, коли планета рухалася перед своєю зорею від нашого погляду, внаслідок чого світло зорі трохи тьмяніло. Це схоже на те, ніби хтось пройшов перед лампою, і світло потьмяніло. У цей час тонке кільце атмосфери планети біля межі день/ніч висвітлюється зорею, і при певних кольорах світла, коли молекули атмосфери планети поглинають світло, атмосфера має більш щільний вигляд і блокує більше світла зорі, спричиняючи глибше затемнення порівняно з іншими довжинами хвиль, за яких атмосфера здається прозорою. Дивлячись, які кольори світла блокуються, цей метод допомагає зрозуміти, з чого складається атмосфера планети.

Разом з цим, використовуючи метод затемнення, дослідники спостерігали за системою, коли планета проходила за своєю зорею від нашої точки зору, що спричинило ще один невеликий провал у загальній кількості отримуваного світла. Усі об′єкти випромінюють деяку кількість світла, звану тепловим випромінюванням, причому інтенсивність і колір випромінюваного світла залежать від ступеня нагрітості об′єкта.

Виміряний спектр транзиту (вгорі) і спектр затемнення (внизу) WASP-80 b від безщілинної спектроскопії NIRCam космічного телескопа Джеймса Вебба. В обох спектрах є чіткі докази поглинання від води і метану, внески яких позначені кольоровими контурами. Під час транзиту планета проходить перед зорею, і в транзитному спектрі присутність молекул змушує атмосферу планети блокувати більше світла певних кольорів, спричиняючи глибше затемнення на цих довжинах хвиль. Під час затемнення планета проходить позаду зорі, і в спектрі затемнення молекули поглинають частину випромінюваного планетою світла певних кольорів, що призводить до меншого падіння яскравості під час затемнення порівняно з транзитом. Credit: BAERI/NASA/Taylor Bell.

Безпосередньо перед затемненням і після нього гарячий денний бік планети спрямований у наш бік, і, вимірявши провал в освітленості під час затемнення, дослідники змогли виміряти інфрачервоне випромінювання, яке випускає планета. У спектрах затемнення поглинання молекулами в атмосфері планети зазвичай проявляється у вигляді зменшення випромінювання планети на певних довжинах хвиль. Крім того, оскільки планета набагато менша й холодніша за свою зорю, глибина затемнення набагато менша, ніж глибина транзиту.

"Початкові спостереження необхідно було перетворити на те, що ми називаємо спектром. По суті, це вимір, що показує, скільки світла блокується або випромінюється атмосферою планети при різних кольорах (або довжинах хвиль) світла. Існує безліч різних інструментів для перетворення необроблених спостережень на корисні спектри, тому ми використовували два різні підходи, щоб переконатися, що наші результати стійкі до різних припущень", - вказують дослідники.

Далі вони інтерпретували цей спектр за допомогою двох типів моделей, щоб симулювати, який вигляд матиме атмосфера планети, що перебуває в таких екстремальних умовах. Перший тип моделі є повністю гнучким, він пробує мільйони комбінацій великої кількості метану та води й температур, щоб знайти комбінацію, яка найкраще відповідає отриманим даним. Другий тип, званий "самоузгодженими моделями", також досліджує мільйони комбінацій, але використовує наявні знання в галузі фізики та хімії для визначення рівнів вмісту метану та води, які можна було б очікувати.

Обидва типи моделей дійшли одного й того ж висновку: остаточне виявлення метану.

"Для підтвердження наших висновків ми використовували надійні статистичні методи для оцінки ймовірності того, що виявлене нами явище є випадковим шумом. У нашій галузі "золотим стандартом" вважається так зване "5-сигмальне виявлення", тобто ймовірність того, що виявлення спричинене випадковим шумом, становить 1 до 1,7 млн. Тим часом ми виявили метан із 6,1 сигмою в спектрах транзиту та затемнення, що визначає ймовірність хибного виявлення в кожному спостереженні як 1 до 942 мільйонів, що перевершує "золотий стандарт" у 5 сигм і зміцнює нашу впевненість в обох виявлених явищах", - зазначають дослідники.

"Завдяки настільки впевненому виявленню ми не тільки знайшли дуже невловну молекулу, а й можемо тепер почати вивчення того, що цей хімічний склад говорить нам про народження, зростання та еволюцію планети. Зокрема, вимірявши кількість метану та води в планеті, ми можемо зробити висновок про співвідношення атомів вуглецю й кисню", - вказують дослідники.

Очікується, що це співвідношення буде змінюватися залежно від того, де й коли формуються планети в їхній системі. Таким чином, вивчення співвідношення вуглецю та кисню може дати ключ до розгадки того, чи сформувалася планета поблизу своєї зорі, чи на великій відстані від неї, а потім поступово стала переміщатися всередину системи.

"Ще одне, що нас тішить у цьому відкритті, — це можливість нарешті порівняти планети за межами нашої Сонячної системи з планетами в ній. НАСА вже не раз відправляло космічні апарати до газових гігантів нашої Сонячної системи, щоб виміряти кількість метану та інших молекул у їхніх атмосферах. Тепер, маючи можливість виміряти кількість того ж газу на екзопланеті, ми можемо почати порівняння "яблук з яблуками" та подивитися, чи відповідають очікування від Сонячної системи тому, що ми бачимо за її межами", - сподіваюся дослідники.

"Нарешті, напередодні майбутніх відкриттів, зроблених за допомогою "Вебба", цей результат показує, що ми перебуваємо на порозі нових цікавих знахідок. Додаткові спостереження WASP-80 b за допомогою MIRI та NIRCam дозволять нам вивчити властивості атмосфери в різних діапазонах довжин хвиль. Отримані нами результати наштовхують на думку, що ми зможемо спостерігати також інші багаті на вуглець молекули, як-от монооксид і діоксид вуглецю, що дасть нам змогу скласти повнішу картину умов в атмосфері цієї планети", - вказують дослідники.

"Крім того, у міру виявлення метану та інших газів на екзопланетах ми продовжуватимемо розширювати наші знання про те, як хімія та фізика працюють в умовах, не схожих на земні, і, можливо, незабаром на інших планетах, що нагадують нам про те, що ми маємо тут, удома. Зрозуміло одне — шлях відкриттів з космічним телескопом Джеймса Вебба сповнений потенційних сюрпризів", - зазначають дослідники.

OstanniPodii.com