Уэбб впервые нашел атмосферу на каменистой экзопланете

Газ, поднимающийся с покрытой лавой поверхности 55 Cancri e, может питать атмосферу, богатую углекислым газом или угарным газом.

В наши дни обнаружение атмосферы планеты в десятках или даже сотнях световых лет от Земли может показаться не такой уж сложной задачей. За последние два десятилетия ученые обнаружили доказательства существования атмосфер вокруг десятков экзопланет. Проблема в том, что все эти планеты имеют плотную атмосферу с преобладанием водорода, которую относительно легко изучать. Тонкие газовые покровы, окружающие некоторые небольшие скалистые экзопланеты, остаются неуловимыми.

Исследователи полагают, что им, возможно, наконец удалось увидеть богатую и изменчивую атмосферу, окружающую скалистой планеты. Свет, излучаемый из горячих областей, обладает высокой яркостью. Экзопланета 55 Cancri e демонстрирует убедительные доказательства наличия атмосферы, возможно, богатой углекислым газом или угарным газом, которая могла бы вытечь из огромного океана лавы, покрывающего поверхность планеты.

Результат является лучшим доказательством существования атмосферы на каменистой планете за пределами нашей Солнечной системы.

Концепция этого художника показывает, как могла бы выглядеть экзопланета 55 Cancri e. 55 Cancri e, также называемая Янссен, представляет собой так называемую супер-Землю, каменистую планету, намного большую, чем Земля, но меньшую, чем Нептун, которая вращается вокруг своей звезды на расстоянии всего 1,4 миллиона миль (0,015 а.е.), совершая полный оборот по орбите. Меньше чем за 18 часов. (Меркурий находится в 25 раз дальше от Солнца, чем его звезда 55 Cancri e). Эта система, в которую также входят четыре крупные газовые планеты-гиганты, расположена примерно в 41 световом году от Земли, в созвездии Рака. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, ККА, Ральф Кроуфорд (STScI)

Космический телескоп Уэбб намекает на возможную атмосферу вокруг каменистой экзопланеты

Исследователи используют НАСА‘s Космический телескоп Джеймса Уэбба Они, возможно, обнаружили атмосферные газы вокруг 55 Cancri e, горячей, каменистой экзопланеты, расположенной в 41 световом году от Земли. Это лучшее доказательство того, что любая каменистая планета за пределами нашей Солнечной системы имеет атмосферу.

Renew из Лаборатории реактивного движения НАСА (Лаборатория реактивного движения) в Пасадене, Калифорния, является ведущим автором статьи, опубликованной 8 мая. природа. «Уэбб расширяет границы описания экзопланет до скалистых планет», — сказал Ху. «Это действительно открывает возможности для нового вида науки».

Сверхгорячая Земля 55 Cancri E

55 Cancri e, также известная как Янссен, — одна из пяти известных планет, вращающихся вокруг солнечной звезды 55 Cancri в созвездии Рака. Имея диаметр почти в два раза больше Земли и немного большую плотность, планета классифицируется как суперземля: больше Земли и меньше Земли. НептунВероятно, по составу они похожи на каменистые планеты нашей солнечной системы.

Однако описание 55 Cancri e как «скалистого» может произвести неправильное впечатление. Планета вращается близко к своей звезде (около 1,4 миллиона миль, или 20/25 расстояния между Меркурием и Солнцем), и ее поверхность, вероятно, расплавлена ​​— бурлящий океан магмы. При такой узкой орбите планета также, вероятно, заблокирована приливно-отливным механизмом: ее дневная сторона всегда обращена к звезде, а ночная сторона находится в вечной темноте.

Несмотря на многочисленные наблюдения с момента открытия транзита в 2011 году, вопрос о том, есть ли у 55 Cancri e атмосфера — или даже мог Один из них остался без ответа из-за его высокой температуры и постоянного воздействия звездного излучения и ветров со стороны его звезды.

«Я работаю на этой планете более десяти лет», — сказала Диана Драгомир, исследователь экзопланет из Университета Нью-Мексико и соавтор исследования. «Было очень обидно, что ни один из полученных нами отзывов не дал надежного решения этих загадок. Я рад, что у нас наконец-то есть ответы!»

В отличие от атмосфер газовых планет-гигантов, которые относительно легко обнаружить ( Об этом стало известно впервые НАСА Космический телескоп Хаббл На протяжении более двух десятилетий более тонкие и плотные атмосферы, окружающие каменистые планеты, оставались неуловимыми.

Предыдущие исследования 55 Cancri e с использованием данных уже вышедшего из эксплуатации космического телескопа НАСА «Спитцер» предположили наличие большой атмосферы, богатой летучими веществами (молекулами, обнаруженными на Земле в газовой форме), такими как кислород, азот и углекислый газ. Но исследователи не смогли исключить другую возможность: планета пуста, если не считать хрупкого покрова испаренной породы, богатой такими элементами, как кремний, железо, алюминий и кальций. «Планета настолько горячая, что часть расплавленной породы, должно быть, испарилась», — объяснил Хо.

Эта кривая блеска показывает изменение яркости системы 55 Cancri, когда за звездой движется скалистая планета 55 Cancri e, ближайшая из пяти известных планет системы. Это явление известно как вторичное затмение.
Когда планета находится рядом со звездой, свет средней инфракрасной области как от звезды, так и от дневной стороны планеты достигает телескопа, благодаря чему система кажется ярче. Когда планета находится позади звезды, свет планеты блокируется, и в телескоп достигает только свет звезды, что приводит к уменьшению видимой яркости.
Астрономы могут вычесть яркость звезды из общей яркости звезды и планеты, чтобы рассчитать количество инфракрасного света, исходящего с дневной стороны планеты. Затем это используется для расчета дневной температуры и вывода о том, есть ли на планете атмосфера.
Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, ККА, Джозеф Олмстед (STScI), Аарон Бело-Арофф (НАСА-Лаборатория реактивного движения)

Измеряйте тонкие различия в инфракрасных цветах

Чтобы различить эти две возможности, команда использовала NIRCam Уэбба (камера ближнего инфракрасного диапазона) и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) для измерения инфракрасного света размером от 4 до 12 микрон, исходящего от планеты.

Хотя Уэбб не может получить прямое изображение 55 Cancri e, он может измерить тонкие изменения в свете системы, когда планета вращается вокруг звезды.

Вычитая яркость во время вторичного затмения (см. изображение выше), когда планета находится за звездой (только свет звезд), из яркости, когда планета находится рядом со звездой (свет звезды и планеты вместе взятый), команда смог подсчитать количество лучей инфракрасного света различной длины, приходящих с дневной стороны планеты.

Этот метод, известный как спектроскопия вторичного затмения, аналогичен методу, используемому другими исследовательскими группами для поиска атмосфер на других скалистых экзопланетах, таких как TRAPPIST-1 b.

Спектр теплового излучения, полученный камерой Webb NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) в ноябре 2022 года и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) в марте 2023 года, показывает яркость (ось Y) излучаемого инфракрасного света различной длины (ось X). . На экзопланете 55 Cancri e. Спектр показывает, что планета может быть окружена атмосферой, богатой углекислым газом или окисью углерода и другими летучими веществами, а не только испаренной породой.
На графике сравниваются данные, собранные NIRCam (оранжевые точки) и MIRI (фиолетовые точки), с двумя разными моделями. Модель А, выделенная красным, показывает, как должен был бы выглядеть спектр излучения 55 Cancri e, если бы у нее была атмосфера, состоящая из испаряющейся породы. Модель B, выделенная синим цветом, показывает, как должен выглядеть спектр излучения, если бы на планете была богатая летучими веществами атмосфера, испускаемая океаном магмы, состав летучих веществ которой аналогичен земной мантии. Данные MIRI и NIRCam согласуются с моделью с высоким содержанием летучих веществ.
Количество света в среднем инфракрасном диапазоне, излучаемого планетой (MIRI), показывает, что дневная температура намного ниже, чем она была бы, если бы у нее не было атмосферы для распределения тепла с дневной стороны на ночную. Провал в спектре между 4 и 5 микронами (данные NIRCam) можно объяснить поглощением этих длин волн молекулами угарного газа или углекислого газа в атмосфере.
Авторы изображений: НАСА, ЕКА, ККА, Джозеф Олмстед (STScI), Ренью Хо (НАСА-Лаборатория реактивного движения), Аарон Белло-Арофф (НАСА-Лаборатория реактивного движения), Майкл Чанг (Чикагский университет), Мантас Зелинскас (SRON)

Холоднее, чем ожидалось

Первое указание на то, что 55 Cancri e может иметь значительную атмосферу, было получено в результате измерений температуры, основанных на ее тепловом излучении (см. изображение выше) или тепловой энергии, излучаемой в виде инфракрасного света. Если бы планета была покрыта темной расплавленной породой с тонкой завесой из испаренной породы или вообще не имела бы атмосферы, температура дневной стороны должна была бы составлять около 4000 градусов. Ф (~2200 градусов Цельсия).

«Вместо этого данные MIRI показали относительно низкую температуру — около 2800 градусов по Фаренгейту. [~1540 degrees Celsius]Он сказал. «Это очень убедительный признак того, что энергия распространяется от дневной стороны к ночной, скорее всего, через изменчивую, богатую атмосферу». Хотя потоки лавы могут переносить некоторое количество тепла на ночную сторону, они не могут перемещать его достаточно эффективно, чтобы обеспечить охлаждающий эффект.

Когда команда посмотрела на данные NIRCam, они увидели закономерности, соответствующие богатой и изменчивой атмосфере.

«Мы видим свидетельства провала в спектре между 4 и 5 микронами, и меньше этого света достигает телескопа», — объяснил соавтор Аарон Белло-Арофф, также из Лаборатории реактивного движения НАСА. «Это указывает на наличие атмосферы, содержащей окись углерода или двуокись углерода, которая поглощает эти длины волн света». Планета, не имеющая атмосферы или атмосфера, состоящая только из испаренной породы, не будет иметь этой специфической спектральной особенности.

«Последние 10 лет мы моделировали различные сценарии, пытаясь представить, как может выглядеть этот мир», — сказала соавтор Ямила Мигель из Лейденской обсерватории и Нидерландского института космических исследований (SRON). «Наконец-то мы получили подтверждение нашей бесценной работы!»

Бурлящий океан магмы

Команда считает, что газы, покрывающие 55 Cancri e, выйдут изнутри, а не будут присутствовать с момента формирования планеты. «Ядро атмосферы давно бы исчезло из-за высокой температуры и интенсивного излучения звезды», — сказал Белло-Аров. «Это будет вторичная атмосфера, которая постоянно пополняется океаном магмы. Магма — это не только жидкие кристаллы и камни, в ней также растворено много газа.

Хотя 55 Cancri e слишком горячая, чтобы быть пригодной для жизни, исследователи полагают, что она может предоставить уникальную возможность изучить взаимодействие между атмосферой, поверхностями и недрами скалистых планет и, возможно, дать представление о ранних условиях Земли. ВенераИ МарсСчитается, что в далеком прошлом он был покрыт океанами магмы. «В конечном итоге мы хотим понять, какие условия позволяют каменистой планете поддерживать богатую газом атмосферу: важный ингредиент для обитаемой планеты», — сказал Ху.

Это исследование проводилось в рамках Программы общих наблюдателей (GO) Уэбба на 1952 год. В настоящее время анализируются дополнительные наблюдения вторичного затмения 55 Cancri e.

Ссылка: «Вторичная атмосфера на скалистой экзопланете 55 Cancri e» Ренью Ху, Аарона Бело-Ароффа, Майкла Чжана, Кимберли Парагаса, Мантаса Зилинскаса, Кристиана ван Ботчема, Майкла Пейса, Джаешила Пателя, Юичи Ито, Марио Дамиано, Маркуса Шушера. , Апурва В. Оза, Хизер А. Кнутсон, Ямила Мигель, Диана Драгомир, Алексис Брандекер и Брайс Оливье Демори, 8 мая 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Космический телескоп Джеймса Уэбба — ведущая в мире обсерватория космической науки. Уэбб разгадывает тайны нашей Солнечной системы, смотрит за пределы далеких миров вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и наше место в ней. WEB — это международная программа, возглавляемая НАСА совместно с Европейским космическим агентством (ЕКА).Европейское космическое агентство) и Канадское космическое агентство.