W układzie słonecznym o nazwie TRAPPIST-1, 40 lat świetlnych od Ziemi, siedem planet wielkości Ziemi krąży wokół zimnej gwiazdy.
Astronomowie uzyskali nowe dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) dotyczące planety TRAPPIST-1b, która jest częścią układu TRAPPIST-1 i znajduje się najbliżej swojej gwiazdy. Nowe obserwacje dostarczają cennych informacji na temat wpływu tej gwiazdy na egzoplanety znajdujące się w ekosferach chłodnych gwiazd. Interesujący jest fakt, że w strefie złotowłosej, czyli na odpowiedniej odległości od gwiazdy, woda w stanie ciekłym może nadal istnieć na powierzchni tej planety.
Zespół opublikował swoje wyniki w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.
W trakcie naszych obserwacji nie znaleźliśmy żadnych śladów atmosfery wokół TRAPPIST-1b. Oznacza to, że planeta ta może być gołą skałą, posiadać chmury wysoko w atmosferze lub zawierać w atmosferze bardzo ciężkie cząsteczki, takie jak dwutlenek węgla, które sprawiają, że atmosfera jest zbyt rzadka, aby ją wykryć – powiedział Ryan MacDonald. Jednakże zauważyliśmy też, że gwiazda jest absolutnie dominującym czynnikiem we wszystkich naszych obserwacjach, i to samo dotyczy innych planet w tym układzie.
Większość badań zespołu koncentrowała się na tym, jak wiele można dowiedzieć się o wpływie gwiazdy na obserwacje planet układu TRAPPIST-1. Jeżeli teraz nie wymyślimy, jak poradzić sobie z gwiazdą, będzie nam znacznie, znacznie trudniej, gdy skierujemy spojrzenie na planety w ekosferze – TRAPPIST-1 d, e i f – aby dostrzec jakiekolwiek sygnały atmosferyczne – powiedział MacDonald.
Obiecujący układ egzoplanetarny
TRAPPIST-1, gwiazda znacznie mniejsza i chłodniejsza od naszego Słońca, znajdująca się około 40 lat świetlnych od Ziemi, przyciągnęła uwagę naukowców i entuzjastów kosmosu od czasu odkrycia w 2017 roku siedmiu egzoplanet wielkości Ziemi krążących wokół niej. Światy te, ciasno upakowane wokół swojej gwiazdy, z których trzy znajdują się w ekosferze, podsyciły nadzieje na znalezienie potencjalnie nadających się do zamieszkania środowisk poza naszym Układem Słonecznym.
W badaniu przeprowadzonym przez Olivię Lim z Trottier Institute for Research on Exoplanets na Uniwersytecie w Montrealu zastosowano technikę spektroskopii transmisyjnej, aby uzyskać istotny wgląd we właściwości TRAPPIST-1b. Poprzez analizowanie światła emitowanego przez centralną gwiazdę, które przechodzi przez atmosferę egzoplanety podczas tranzytu, astronomowie są w stanie dostrzec unikalne „odciski palców” pozostawione przez cząsteczki i atomy obecne w tej atmosferze.
Poznaj swoją gwiazdę, poznaj swoją planetę
Kluczowe odkrycie dotyczy znaczącego wpływu aktywności gwiazdowej i zanieczyszczeń na próbę określenia natury egzoplanety. Zanieczyszczenie gwiazdowe ma wpływ na cechy charakterystyczne dla gwiazd, takie jak ciemne obszary zwane plamami i jasne obszary, a w rezultacie na pomiary atmosfery egzoplanety.
Zespół dokonał przekonującego odkrycia, które wskazuje na kluczową rolę zanieczyszczenia gwiazdowego w kształtowaniu widm transmisyjnych TRAPPIST-1b oraz prawdopodobnie innych planet w tym układzie. Aktywność gwiazdy centralnej może generować tzw. sygnały-duchy, które z kolei mogą wprowadzić obserwatora w błąd, sugerując wykrycie określonej cząsteczki w atmosferze egzoplanety.
Wynik tego badania jednoznacznie podkreśla istotność uwzględnienia zanieczyszczenia gwiazdowego podczas planowania przyszłych obserwacji układów egzoplanetarnych. Szczególnie ważne jest to w przypadku układów podobnych do TRAPPIST-1, krążących wokół czerwonego karła. Czerwone karły mogą być szczególnie aktywne, wykazując plamy gwiazdowe oraz częste rozbłyski. Wobec tego konieczne jest uwzględnienie wymienionych czynników, aby móc dokładniej analizować widma transmisyjne egzoplanet.
Oprócz zanieczyszczenia pochodzącego z plam gwiazdowych zaobserwowaliśmy rozbłysk gwiazdowy – nieprzewidywalne zdarzenie, podczas którego gwiazda wygląda jaśniej przez kilka minut do godzin – powiedziała Lim. Rozbłysk ten wpłynął na nasze pomiary ilości światła blokowanego przez planetę. Takie oznaki aktywności gwiazdowej są trudne do modelowania, ale musimy je uwzględnić, aby upewnić się, że prawidłowo interpretujemy dane.
Brak znaczącej atmosfery na TRAPPIST-1 b
Podczas gdy wszystkie siedem planet w układzie TRAPPIST-1 to kuszący kandydaci do poszukiwania egzoplanet o rozmiarze zbliżonym do Ziemi z atmosferą, TRAPPIST-1b, ze względu na bliską odległość od swojej gwiazdy, znajduje się w bardziej ekstremalnych warunkach niż jej rodzeństwo. Otrzymuje czterokrotnie większe natężenie promieniowania od swojej gwiazdy niż Ziemia od Słońca, co skutkuje temperaturą powierzchni wynoszącą od 120 do 220 stopni Celsjusza.
Gdyby jednak TRAPPIST-1b posiadała atmosferę, byłaby najbardziej wykrywalna i opisywalna spośród wszystkich planet w układzie. Ze względu na bliskie położenie TRAPPIST-1b w stosunku do jej gwiazdy, która czyni ją najgorętszą planetą w układzie, tranzyt tej planety generuje silniejszy sygnał. Wszystkie te czynniki sprawiają, że TRAPPIST-1b jest kluczowym, ale jednocześnie trudnym w obserwacji obiektem.
Aby uwzględnić wpływ zanieczyszczeń gwiazdowych, zespół przeprowadził dwie niezależne analizy atmosfery, co stanowi technikę pozwalającą określić rodzaj atmosfery na TRAPPIST-1b, w oparciu o obserwacje. W pierwszym podejściu z danych przed analizą usunięto zanieczyszczenie gwiazdowe, w drugim zaś, przeprowadzonym przez MacDonalda, modelowano i dopasowywano jednocześnie zanieczyszczenie gwiazdowe i atmosferę planety.
W obu przypadkach wyniki wskazywały, że widma TRAPPIST-1b mogą być dobrze dopasowane wyłącznie przez modelowane zanieczyszczenie gwiazdowe. Sugeruje to brak dowodów na istnienie znaczącej atmosfery na planecie. Taki wynik jest bardzo cenny, ponieważ mówi astronomom, które typy atmosfery są zgodne z obserwowanymi danymi.
Na podstawie zebranych obserwacji z JWST Lim i jej zespół przeprowadzili badania na różnych modelach atmosferycznych dla TRAPPIST-1b, analizując różne możliwe składy i scenariusze. Ich odkrycie polegało na wykluczeniu, na podstawie danych prawdopodobieństwa, bezchmurnych atmosfer bogatych w wodór. W rezultacie stwierdzono, że wokół TRAPPIST-1b nie istnieje wyraźna, rozległa atmosfera.
Jednak na podstawie zebranych danych nie można jednoznacznie wykluczyć istnienia cieńszej atmosfery wokół TRAPPIST-1b, np. składającej się z czystej wody, dwutlenku węgla lub metanu, ani atmosfery podobnej do atmosfery Tytana, księżyca Saturna i jedynego księżyca w Układzie Słonecznym posiadającego znaczącą atmosferę. Wyniki tych badań, czyli pierwsze widmo planety TRAPPIST-1, są zgodne z wcześniejszymi obserwacjami JWST dotyczącymi strony dziennej TRAPPIST-1b, które były prowadzone przy użyciu instrumentu MIRI i ograniczały się do jednego koloru.
Ponieważ astronomowie nadal prowadzą badania innych skalistych planet w niezmierzonej przestrzeni kosmicznej, uzyskane wyniki stanowią podstawę dla przyszłych programów obserwacyjnych przy użyciu JWST i innych teleskopów. Badania te przyczyniają się do bardziej wszechstronnego zrozumienia atmosfer egzoplanet i ich potencjalnej zdatności do zamieszkania.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- JWST’s first spectrum of a TRAPPIST-1 planet
- Atmospheric Reconnaissance of TRAPPIST-1 b with JWST/NIRISS: Evidence for Strong Stellar Contamination in the Transmission Spectra
Źródło: University of Michigan
Na ilustracji: Wizja artystyczna czerwonego karła TRAPPIST-1 pokazująca jego bardzo aktywną naturę. Egzoplaneta TRAPPIST-1 b, najbliższa centralnej gwieździe układu, na pierwszym planie, bez widocznej atmosfery. Egzoplaneta TRAPPIST-1 g, jedna z planet w strefie zamieszkiwalnej układu, widoczna jest w tle na prawo od gwiazdy. Źródło: Benoît Gougeon, Université de Montréal
