Astronomowie badają „świat pary wodnej”

Zespół naukowców bada egzoplanetę GJ 9827 d i odkrywa znaczną ilość pary wodnej w jej atmosferze.

Międzynarodowe badania pod kierownictwem Kanadyjczyków przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) ujawniły nowe fakty dotyczące atmosfery GJ 9827 d – egzoplanety krążącej wokół gwiazdy GJ 9827 w konstelacji Ryb, około 98 lat świetlnych od Ziemi. Obserwacje wykazały, że atmosfera planety zawiera wysokie stężenie cięższych cząsteczek, w tym znaczną ilość pary wodnej, co sprawia, że astronomowie uważają, że może to być „świat parowy”.

Badania, których wyniki opublikowano w „The Astrophysical Journal Letters”, zostały przeprowadzone przez Caroline Piaulet-Ghorayeb, doktorantkę w Trottier Institute for Research on Exoplanets (IREx) na Uniwersytecie w Montrealu, we współpracy z naukowcami z całego świata.

Na początku 2024 roku, wykorzystując dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (HST), naukowcy z IREx ogłosili, że wykryli wodę w atmosferze GJ 9827 d. Dzięki temu stała się ona najmniejszą egzoplanetą z potwierdzoną atmosferą (jest mniej więcej dwa razy większa od Ziemi).

Te znaczące odkrycia otwierają nowe możliwości poszukiwania życia poza naszym Układem Słonecznym i poszerzają naszą wiedzę na temat formowania się i składu planet.

Nieuchwytny cel – aż do teraz
Przez lata naukowcy koncentrowali się na wykrywaniu atmosfery wokół gazowych olbrzymów i minineptunów – planet znacznie większych od Ziemi i o atmosferach zdominowanych przez wodór, takich jak Jowisz i Neptun w naszym Układzie Słonecznym. Jednak do tej pory znalezienie mniejszych planet, bliższych rozmiarom Ziemi, które miałyby atmosferę, pozostawało nieuchwytnym celem.

Na razie wszystkie wykryte przez nas planety posiadające atmosferę są planetami-olbrzymami lub w najlepszym wypadku minineptunami – powiedziała Piaulet-Ghorayeb, główna autorka badań. Planety te mają atmosfery składające się głównie z wodoru, co czyni je bardziej podobnymi do gazowych olbrzymów w Układzie Słonecznym niż do planet skalistych, takich jak Ziemia, które mają atmosfery zdominowane przez cięższe pierwiastki.

Bogaty w cięższe cząsteczki
Tym, co wyróżnia GJ 9827 d, jest skład jej atmosfery.

Łącząc dane JEST/NIRISS i HST, Piaulet-Ghorayeb wykazała, że w przeciwieństwie do zdominowanych przez wodór atmosfer większych planet, ta otaczająca GJ 9827 d jest bogata w cięższe cząsteczki, ze sporą ilością pary wodnej. Pierwszy raz udało się wykryć wokół egzoplanety atmosferę, w której wodór nie jest dominującym składnikiem, co sugeruje, że może być ona bogata w wodę atmosferę.

Pod względem masy cząsteczkowej jest ona bliższa atmosferze bogatej w dwutlenek węgla lub azot, której obecnie poszukujemy wokół mniejszych, skalistych planet, gdzie będziemy też szukać życia – powiedziała Piaulet-Ghorayeb.

Ona i jej zespół przeprowadzili obserwacje za pomocą kanadyjskiego instrumentu na JWST – Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS). Wykorzystując spektroskopię transmisyjną, badacze przeanalizowali światło gwiazdy przechodzące przez atmosferę planety podczas jej tranzytu przed gwiazdą macierzystą, GJ 9827. Następnie połączyli nowe obserwacje za pomocą JWST z poprzednimi z HST, aby wykazać, że obserwowane cechy widmowe są spowodowane atmosferą planety, a nie zanieczyszczeniem pochodzącym od gwiazdy układu.

Dzięki danym z JWST/NIRISS SOSS naukowcy mogą wreszcie rozróżnić dwa rodzaje atmosfery planety: jedna jest rzadsza, z niewielką ilością cięższych pierwiastków (głównie wodoru), z wodą obecną tylko w śladowych ilościach; druga ma wysoką gęstość, z wieloma cięższymi pierwiastkami i dużą ilością wody.

Ponieważ GJ 9827 d znajduje się blisko swojej gwiazdy, jej atmosfera jest prawdopodobnie mieszanką gazu i przegrzanego, gęstego stanu, a nie ma wyraźnych warstw lub chmur.

Uważa się, że nie nadaje się do zamieszkania
Chociaż sama GJ 9827 d nie jest uważana za nadającą się do zamieszkania ze względu na bliskość gwiazdy macierzystej i wynikające z tego wysokie temperatury powierzchni (około 350 stopni Celsjusza), odkrycie to stanowi duży krok naprzód w poszukiwaniu środowisk nadających się do zamieszkania. Obecność ciężkiej, bogatej w wodę atmosfery na małej planecie, takiej jak GJ 9827 d, stanowi dowód na to, że takie atmosfery istnieją i mogą być dokładnie badane za pomocą JWST. To zaś sprawia, że perspektywa znalezienia nadających się do zamieszkania planet podobnych do Ziemi staje się wyraźniejsza.

To ogromny krok w kierunku celu, jakim jest poszukiwanie atmosfer wokół mniejszych, podobnych do Ziemi planet – powiedziała Piaulet-Ghorayeb. GJ 9827 d jest pierwszą planetą, na której wykryliśmy atmosferę bogatą w ciężkie cząsteczki, podobną do tych wokół skalistych planet Układu Słonecznego, i pierwszym od dawna potwierdzonym przykładem „parowego świata”, o którym myślała społeczność naukowa.

„Parowe światy” to planety o gęstej, bogatej w wodę atmosferze, których powierzchnia nie jest pokryta lodem ani ciekłą wodą. Zamiast tego, ze względu na bliskie położenie względem swoich gwiazd macierzystych, utrzymują atmosfery parowe. Są podobne do lodowych księżyców Europy i Ganimedesa, jednak znajdują się tak blisko swych gwiazd, że woda występuje w ich atmosferze jako para wodna, a nie pod warstwą lodu.

Astronomowie mają nadzieję, że dalsze, planowane w nadchodzących miesiącach obserwacje GJ 9827 d za pomocą JWST mogą rzucić więcej światła na składniki jej parowej atmosfery.

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Więcej informacji:

Źródło: Uniwersytet w Montrealu

Na ilustracji: Wizja artystyczna parowego świata, GJ 9827 d. Źródło: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI), Ralf Crawford (STScI)