Wenus i Ziemi są zadziwiająco różnymi przykładami ewolucji planet skalistych – co każe zapytać, dlaczego te dwa skaliste światy ewoluowały tak różnie. Odkryta w 2022 roku metodą tranzytu superziemia LP 890-9 c może być kluczem do odpowiedzi na to pytanie. Ta egzoplaneta krąży wokół pobliskiej gwiazdy-czerwonego karła z okresem 8,46 dnia i otrzymuje podobną ilość energii, jak aktualnie Ziemia od Słońca – co pozycjonuje LP 890-9 c w pobliżu wewnętrznej granicy „strefy zamieszkiwalnej”.
W egzoplanetologii obszar wokół gwiazdy o kształcie zbliżonym do warstwy sferycznej jest nazywany „strefą zamieszkiwalną” (ang. habitable zone) lub ekosferą. Często też jest nazywany „strefą Złotowłosej” (ang. Goldilocks zone), jako nawiązanie do XIX-wiecznej baśni pt. „Złotowłosa i trzy niedźwiadki” (ang. „Goldilocks and the Three Bears”). W tej bajce mała dziewczynka („Złotowłosa”) spotyka zbiór obiektów, które są albo zbyt skrajne, aby mogła je polubić, albo w sam raz. Jedna z misek z owsianką jest za gorąca, inna – za zimna, a jeszcze inna – w sam raz. Stąd wzięła się analogia do położenia egzoplanety i gwiazdy.
Jeżeli jest za blisko względem gwiazdy macierzystej, to na takiej planecie jest za gorąco i nie ma wody w stanie ciekłym, która jest niezbędny składnikiem istnienia życia. Jeżeli jest za daleko, to na takiej planecie jest za zimno i wtedy woda będzie istniała na powierzchni tylko w postaci lodu.
Ale nawet dla kategorii „w sam raz” mogą zdarzyć się różne przypadki. Wielu badaczy egzoplanet uważa, że Wenus znajduje się w pobliżu wewnętrznej granicy strefy nadającej się „w sam raz” do zamieszkania, czyli ekosfery naszego Słońca. Więc dlaczego Wenus spotkał tak różny los, w porównaniu do naszej „błękitnej kropki”?
Zespół astronomów kierowany przez Lizę Kaltenegger (Cornell University, USA) uważa, że znalazł sposób, jak odpowiedzieć na to pytanie –szczegóły w publikacji pt. „Gorąca Ziemia czy młoda Wenus? Tajemnica niedalekiej, tranzytującej planety skalistej”. W tym celu należy skierować najpotężniejszy dostępny nam teleskop satelitarny, czyli Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, w kierunku gwiazdy odległej o około 104 l.św. i bezpośrednio zaobserwować atmosferę egzoplanety.
Autorzy tej publikacji mają na myśli egzoplanetę LP 890-9 c, która po raz pierwszy została skatalogowana w 2022 roku, jako część przeglądu o akronimie SPECULOOS, ponieważ astronomowie często nie mogą się oprzeć tworzeniu akronimów – bez względu na to, jak wydają się nienaturalne i naciągane. SPECULOOS jest to skrót z języka angielskiego „the Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars” i oznacza przegląd, którego celem jest poszukiwanie egzoplanet podobnych do Ziemi (=nadających się do zamieszkania) metodą tranzytu wokół około 1700 ultra-chłodnych gwiazd – karłów typu widmowego M. Jest to przegląd obserwacyjny prowadzony za pomocą 1-metrowego teleskopu typu Ritchey–Chrétien w ESO Paranal Observatory w Chile.
Zrzut ekranowy ze strony internetowej NASA z graficzną prezentacją liczby odkrytych różnych rodzajów egzoplanet na dzień 3 lipca 2023 r. Najwięcej zostało odkrytych egzoplanet o wielkości zbliżonej do Neptuna (ang. Neptune-like). Następne, najczęściej odkrywane to są gazowe olbrzymy (ang. gas giant) o wielkości Jowisza i Saturna. Egzoplanety typu „superziemie” (ang. super Earth) nie mają dokładnej definicji, ale są to planety o masach zawartych pomiędzy masą Ziemi i Neptuna, i mogą być zbudowane zarówno z gazów, skał jak i obu jednocześnie. Planety skaliste, czyli typu ziemskiego (ang. terrestial) obejmują najmniejszą, znaną liczbę egzoplanet, ale celem przeglądu SPECULOOS jest zwiększenie liczby odkrytych planet skalistych. Źródło: NASA
Gwiazda LP 890-9 znajduje się w odległości około 104 l.św. od nas w konstelacji Erydanu. Posiada ona również oznaczenia TOI-4306 i SPECULOOS-2. Jest do gwiazda – czerwony karzeł typu widmowego M6 o masie zaledwie 0,16 Mʘ, promieniu 0,12 Rʘ i temperaturze powierzchniowej 2850 K.
Wokół LP 890-9 krążą przynajmniej dwie egzoplanety, z których wewnętrzna LP890-9 b jest około 30% większa niż Ziemia i okrąża gwiazdę macierzystą w 2,73 dnia.
Druga egzoplaneta LP 890-9 c krąży wokół tej bardzo chłodnej gwiazdy z okresem 8,5 dnia. Gwiazda macierzysta tego układu zajmuje drugie miejsce po TRAPPIST-1 na liście najchłodniejszych gwiazd, które posiadają egzoplanety. Ta egzoplaneta jest około 40% większa od Ziemi i została klasyfikowana jako „superziemia” zgodnie ze standardową terminologią w egzoplanetologii.
Egzoplaneta LP 890-9 c rezyduje w pobliżu wewnętrznej granicy „strefy Złotowłosej” dla tej gwiazdy. Oznacza to, że potencjalnie może być miejscem, gdzie znajduje się ciekła woda – albo na jej powierzchni, albo w atmosferze. Posiada również jeszcze jedną zaletę - znajduje się w odległości tylko 104 l.św. od Ziemi.
Ta odległość przynajmniej w skali astronomicznej jest względnie mała. Zaś planeta jest wystarczająco duża, aby jej atmosfera teoretycznie mogła być zaobserwowana metodą spektroskopową za pomocą najpotężniejszego, znanego nam obecnie obserwatorium satelitarnego, jakim jest Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Należy pamiętać, że jednym z głównych celów misji tego teleskopu są bezpośrednie obserwacje atmosfer egzoplanet!
Większość astronomów zgadza się, że najbardziej fascynującym układem planetarnym jest TRAPPIST-1, który posiada wiele interesujących planet, orbitujących wokół gwiazdy centralnej. Ale egzoplaneta LP 890-9 c jest tutaj drugą na tej liście. Częściowo tak jest, ponieważ lepsze poznanie atmosfery tej planety może pomóc zrozumieć, dlaczego Wenus, która znajduje się w podobnie umieszczonej orbicie wokół Słońca, wyewoluowała inaczej niż Ziemia.
To porównanie nie jest ścisłe, ponieważ Wenus potrzebuje 225 dni, aby zgodnie z ruchem orbitalnym okrążyć Słońce, a LP 890-9 c zabiera to tylko 8,5 dnia. Ale to jest zaleta, ponieważ wykorzystywana przez Teleskop Webba do badania atmosfery egzoplanety metoda wymaga obserwacji tranzytu, czyli przejścia egzoplanety przez tarczą gwiazdy macierzystej. Dlatego będzie potrzebna mniejsza ilość czasu obserwacyjnego.
Na ilustracji: Wizja artystyczna pokazująca, jak potencjalnie egzoplaneta LP 890-9 c może ewoluować od gorącej Ziemi do pustynnej Wenus. Źródło: Carl Sagan Institute/R. Payne
Uwzględniając powyższe różnice, grupa astronomów kierowana przez Jonathana Gomeza Barrientosa (Cal Tech, USA) przygotowała drugą publikację pt. „Wenus w trakcie powstawania? Przewidywania obserwacyjne dla Teleskopu Webba dotyczące planety LP 890-9 c wokół ultra-chłodnego karła typu widmowego M”, w której wykonano modelowanie, aby określić jakie widma transmisyjne atmosfery można uzyskać za pomocą Teleskopu Webba - zależności od składu chemicznego atmosfery tej planety. Jedną z bardziej istotnych części tego modelowania było policzenie, jak dużo niezmiernie cennego czasu obserwacyjnego Teleskopu Webba należałoby poświęcić, aby uzyskać wartościowe naukowo widmo atmosfery LP 890-9 c.
W artykule J.G.Barrientosa ze współpracownikami oszacowano trzy następujące czasy dla egzoplanety LP 890-9 c obserwowanej przez Teleskop Webba:
- obserwacje tylko 3 tranzytów (25,5 dnia) → sprawdzenie, czy egzoplaneta w ogóle posiada atmosferę;
- obserwacje 8 tranzytów (68 dni) → sprawdzenie, czy egzoplaneta posiada atmosferę podobną do Wenus;
- obserwacje 20 tranzytów (170 dni) → sprawdzenie, czy egzoplaneta posiada atmosferę potencjalnie nadającą się do zamieszkania.
Tranzyt LP 890-9 c trwa około 1 godzinę (przykłady na poniższym rysunku). Nie są wymagane obserwacje całego okresu orbitalnego, ale tylko parę godzin w okolicach tranzytu planety tle gwiazdy macierzystej. Więc aż np. 170 dni nie jest konieczne, aby zaobserwować 20 tranzytów LP 890-9 c, ale powinno wystarczyć powiedzmy 2,5 dnia (20 tranzytów x np.3 godziny na tranzyt?).
Należy dodać, że jest to bardzo długi czas obserwacyjny dla najpotężniejszego aktualnie teleskopu satelitarnego dostępnego dla ludzkości, który został zbudowany za 9 miliardów dolarów. Ale tych obserwacji nie można całkowicie wykluczyć. Na chwilę obecną, obie omawiane publikacje zapewniają dobrą, naukową podstawę do ubiegania się o czas obserwacyjny na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba. Ale uwzględniając ich wagę, istnieje duża szansa, że już niedługo zobaczymy, jak wygląda widmo transmisyjne atmosfery LP 890-9 c. Ciekawe czy będzie zgodne z jednym z widm zaprezentowanych na koniec tego artykułu?
Na ilustracji: Obserwacje fotometryczne (... krzywe blasku) kilku tranzytów egzoplanety LP 890-9 c przez różne filtry i teleskopy (TESS, MuSCAT3, SPECULOOS). Pojedyncze obserwacje reprezentują szare kropki, a czarne koła ze słupkami błędów – uśrednione obserwacje z 10 minut. Najlepszemu dopasowaniu tranzytu odpowiada czerwona linia. Garby w środku tranzytów dla teleskopu MuSCAT3 w barwach r′ oraz i’ mogą być związane z plamami na powierzchni gwiazdy. Tranzyt LP 890-9 c trwa około 1 godziny. Źródło (dostęp otwarty CC BY 4.0): L. Delrez i inni, A&A 667, A59 (2022), DOI: 10.1051/0004-6361/202244041
Na ilustracji: Symulowane widma transmisyjne w rozdzielczości R=20 dla trzech, różnych modeli atmosfery egzoplanety LP 890-9 c (częściowo zakres optyczny i bliska podczerwień: 0,6-6μm) oraz jak te widma może zarejestrować Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w konfiguracji ze spektrografem NIRSpec PRISM.
Symulowane widmo transmisyjne przedstawia linia ciągła na każdym z trzech paneli z oznaczonymi głównymi związkami chemicznymi, a zacienione pasy w różnych kolorach obrazują obszary z błędami odpowiednio 1σ i 2σ. Punkty widma, które mógłby zarejestrować Teleskop Webba przedstawiają czarne kółka ze słupkami błędów ±3σ.
U góry: widmo transmisyjne dla atmosfery z pełnym efektem cieplarnianym (temperatura na powierzchni nawet 1600K, cała woda z oceanów wyparowała do atmosfery – stąd ciśnienie atm. może być nawet 271 barów, ale do niniejszej symulacji wzięto tylko 5 barów). Potrzebne są obserwacje 3 tranzytów, aby odkryć cząsteczki H2O w atmosferze.
W środku: widmo transmisyjne dla atmosfery podobnej do Wenus z ciśnieniem atm. 5 barów - ale bez chmur. Potrzebne są obserwacje 8 tranzytów, aby odkryć molekułę CO2 w atmosferze.
Na dole: widmo transmisyjne dla atmosfery podobnej do Ziemi z ciśnieniem atm. 1 bar, ale cieplejszej (temperatura na powierzchni ~300K). Potrzebne są obserwacje aż 20 tranzytów, aby odkryć molekułę N2O w atmosferze.
Źródło (dostęp otwarty CC BY 4.0): J.G.Barrientos, L.Kaltenegger, R.J.MacDonald, MNRAS 524, L5–L9 (2023), DOI: 10.1093/mnrasl/slad056
Więcej informacji:
Publikacje naukowe (dostęp otwarty):
- Hot Earth or Young Venus? A nearby transiting rocky planet mystery
- A Venus in the making? Predictions for JWST observations of the ultracool M-dwarf planet LP 890-9 c
- Exoplanet may reveal secrets about the edge of habitability
- SPECULOOS discovers a potentially habitable super-Earth
- How Close Can a Planet Get to a Star and Still Be Habitable?
Portal Urania:
- Jak rozpoznamy życie w innych miejscach w kosmosie?
- Ocena zdatności do zamieszkania planet wokół starych czerwonych karłów
- Nowa "strefa Złotowłosej" dla planet zdolnych do zamieszkania
Źródło: Cornell University
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji tytułowej: Porównanie właściwości układu planetarnego LP 890-9 (inne oznaczenia: TOI-4306 lub SPECULOOS-2) oraz wewnętrznej części Układu Słonecznego. Układ planetarny LP 890-9 jest bardziej zwarty i jego dwie planety skaliste mogą łatwo zmieścić się w obrębie orbity Merkurego, czyli najbliższej Słońca planety w Układzie Słonecznym.
Oczekuje się, że planeta LP 890-9 c dostarczy wiedzy na temat warunków panujących na wewnętrznej granicy „strefy zamieszkiwalnej” (ekosfery) gwiazdy LP 890-9, a więc może pomóc wyjaśnić, dlaczego Ziemia i Wenus ewoluowały w tak różny sposób. Źródło: Adeline Deward - Illumine
