"Вебб" идентифицировал метан в атмосфере экзопланеты

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, используя методы транзита и затмения, впервые обнаружен метан в атмосфере планеты вне нашей Солнечной системы.

О значении обнаружения метана в атмосферах экзопланет и о том, как наблюдения "Уэбба" помогли идентифицировать эту долгожданную молекулу, рассказали в блогах НАСА Тейлор Белл из Научно-исследовательского института экологии Агломерации залива (BAERI), который работает в Исследовательском центре НАСА имени Эймса в Кремниевой долине Калифорнии, и Луис Велбанкс из Университета штата Аризона.

"Вебб" наблюдал за экзопланетой WASP-80 b во время ее прохождения перед и за своей звездой, обнаружив спектры, свидетельствующие о наличии в ее атмосфере газа метана и водяного пара. Если водяной пар был обнаружен более чем на десятке планет, то метан — молекула, которая в изобилии присутствует в атмосферах Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна в нашей Солнечной системе, — до недавнего времени оставался неуловимым в атмосферах транзитных экзопланет при исследовании с помощью космической спектроскопии.

Температура WASP-80 b составляет около 825 кельвинов (около 552 градусов по Цельсию), что ученые называют "теплым юпитером". Это планеты, которые по размеру и массе похожи на планету Юпитер в нашей Солнечной системе, но имеют температуру, промежуточную между температурой горячих юпитеров, таких как HD 209458 b (первая обнаруженная транзитная экзопланета) с 1450 K (1177 ℃), и холодных юпитеров, таких как наш собственный Юпитер, температура которого составляет около 125 K (-148 ℃).

Новости по подобной теме:

		Три "красных монстра" в ранней Вселенной бросают вызов современным моделям формирования галактик
		В ранней Вселенной найдена черная дыра, поглощающая материю гораздо быстрее, чем теоретически возможно
		Уэбб и Хаббл показали жуткую пару галактик

WASP-80 b вращается вокруг своей звезды-красного карлика раз в три дня и находится на расстоянии 163 световых лет от нас в созвездии Орел. Поскольку планета находится так близко к своей звезде и обе они так далеки от нас, мы не можем увидеть планету напрямую даже с помощью самых современных телескопов, таких как "Уэбб". Вместо этого изучается комбинированный свет от звезды и планеты с помощью транзитного метода (который был использован для открытия большинства известных экзопланет) и метода затмения.

Используя транзитный метод, исследователи наблюдали эту систему, когда планета двигалась перед своей звездой от нашего взгляда, в результате чего свет звезды немного тускнел. Это похоже на то, будто кто-то прошел перед лампой, и свет потускнел. В это время тонкое кольцо атмосферы планеты у границы день/ночь освещается звездой, и при определенных цветах света, когда молекулы атмосферы планеты поглощают свет, атмосфера имеет более плотный вид и блокирует больше света звезды, вызывая более глубокое затмение по сравнению с другими длинами волн, при которых атмосфера кажется прозрачной. Глядя, какие цвета света блокируются, этот метод помогает понять, из чего состоит атмосфера планеты.

Вместе с этим, используя метод затмения, исследователи наблюдали за системой, когда планета проходила за своей звездой от нашей точки зрения, что вызвало еще один небольшой провал в общем количестве получаемого света. Все объекты излучают некоторое количество света, называемое тепловым излучением, причем интенсивность и цвет излучаемого света зависят от степени нагретости объекта.

Измеренный спектр транзита (вверху) и спектр затмения (внизу) WASP-80 b от бесщелевой спектроскопии NIRCam космического телескопа Джеймса Вебба. В обоих спектрах есть четкие доказательства поглощения от воды и метана, вклады которых обозначены цветными контурами. Во время транзита планета проходит перед звездой, и в транзитном спектре присутствие молекул заставляет атмосферу планеты блокировать больше света определенных цветов, вызывая более глубокое затмение на этих длинах волн. Во время затмения планета проходит позади звезды, и в спектре затмения молекулы поглощают часть излучаемого планетой света определенных цветов, что приводит к меньшему падению яркости во время затмения по сравнению с транзитом. Credit: BAERI/NASA/Taylor Bell.

Непосредственно перед затмением и после него горячая дневная сторона планеты направлена в нашу сторону, и, измерив провал в освещенности во время затмения, исследователи смогли измерить инфракрасное излучение, которое испускает планета. В спектрах затмения поглощение молекулами в атмосфере планеты обычно проявляется в виде уменьшения излучения планеты на определенных длинах волн. Кроме того, поскольку планета намного меньше и холоднее своей звезды, глубина затмения намного меньше, чем глубина транзита.

"Первоначальные наблюдения необходимо было преобразовать в то, что мы называем спектром. По сути, это измерение, показывающее, сколько света блокируется или излучается атмосферой планеты при различных цветах (или длинах волн) света. Существует множество различных инструментов для преобразования необработанных наблюдений в полезные спектры, поэтому мы использовали два разных подхода, чтобы убедиться, что наши результаты устойчивы к различным предположениям", - указывают исследователи.

Далее они интерпретировали этот спектр с помощью двух типов моделей, чтобы симулировать, как будет выглядеть атмосфера планеты, находящейся в таких экстремальных условиях. Первый тип модели является полностью гибким, он пробует миллионы комбинаций большого количества метана и воды и температур, чтобы найти комбинацию, которая лучше всего соответствует полученным данным. Второй тип, называемый "самосогласованными моделями", также исследует миллионы комбинаций, но использует имеющиеся знания в области физики и химии для определения уровней содержания метана и воды, которые можно было бы ожидать.

Оба типа моделей пришли к одному и тому же выводу: окончательное обнаружение метана.

"Для подтверждения наших выводов мы использовали надежные статистические методы для оценки вероятности того, что обнаруженное нами явление является случайным шумом. В нашей отрасли "золотым стандартом" считается так называемое "5-сигмальное обнаружение", то есть вероятность того, что обнаружение вызвано случайным шумом, составляет 1 к 1,7 млн. Между тем мы обнаружили метан с 6,1 сигмой в спектрах транзита и затмения, что определяет вероятность ложного обнаружения в каждом наблюдении как 1 к 942 миллионам, что превосходит "золотой стандарт" в 5 сигм и укрепляет нашу уверенность в обоих обнаруженных явлениях", - отмечают исследователи.

"Благодаря столь уверенному обнаружению мы не только нашли очень неуловимую молекулу, но и можем теперь начать изучение того, что этот химический состав говорит нам о рождении, росте и эволюции планеты. В частности, измерив количество метана и воды в планете, мы можем сделать вывод о соотношении атомов углерода и кислорода", - указывают исследователи.

Ожидается, что это соотношение будет меняться в зависимости от того, где и когда формируются планеты в их системе. Таким образом, изучение соотношения углерода и кислорода может дать ключ к разгадке того, сформировалась ли планета вблизи своей звезды, или на большом расстоянии от нее, а затем постепенно стала перемещаться внутрь системы.

"Еще одно, что нас радует в этом открытии, — это возможность наконец сравнить планеты за пределами нашей Солнечной системы с планетами в ней. НАСА уже не раз отправляло космические аппараты к газовым гигантам нашей Солнечной системы, чтобы измерить количество метана и других молекул в их атмосферах. Теперь, имея возможность измерить количество того же газа на экзопланете, мы можем начать сравнение "яблок с яблоками" и посмотреть, соответствуют ли ожидания от Солнечной системы тому, что мы видим за ее пределами", - надеюсь исследователи.

"Наконец, в преддверии будущих открытий, сделанных с помощью "Уэбба", этот результат показывает, что мы находимся на пороге новых интересных находок. Дополнительные наблюдения WASP-80 b с помощью MIRI и NIRCam позволят нам изучить свойства атмосферы в различных диапазонах длин волн. Полученные нами результаты наталкивают на мысль, что мы сможем наблюдать также другие богатые углеродом молекулы, такие как монооксид и диоксид углерода, что позволит нам составить более полную картину условий в атмосфере этой планеты", - указывают исследователи.

"Кроме того, по мере обнаружения метана и других газов на экзопланетах мы будем продолжать расширять наши знания о том, как химия и физика работают в условиях, не похожих на земные, и, возможно, вскоре на других планетах, напоминающих нам о том, что мы имеем здесь, дома. Ясно одно — путь открытий с космическим телескопом Джеймса Уэбба полон потенциальных сюрпризов", - отмечают исследователи.

OstanniPodii.com

• телескоп Уэбба
• Экзопланеты