Teleskop Webba zmierzył promieniowanie emitowane przez egzoplanetę TRAPPIST-1 c, która orbituje wokół gwiazdy-czerwonego karła znajdującego się w odległości 40 l.św. od nas. Uzyskano temperaturę dziennej strony planety +103°C – co jest do tej pory najmniejszą wartością uzyskana metodą zaćmienia wtórnego dla planety skalistej.
Ten wynik może być nieco rozczarowujący dla wszystkich, którzy mieli nadzieję, że układ planetarny TRAPPIST-1 jest prawdziwym analogiem naszego Układu Planetarnego. Masa i wielkość egzoplanety TRAPPIST-1 c są porównywalne do Wenus – jak również ilość energii otrzymywanej od gwiazdy macierzystej. Natomiast jest mało prawdopodobne, aby ta egzoplaneta posiadała podobnie gęstą atmosferę, składająca się z dwutlenku węgla. To sugeruje, że TRAPPIST-1 c i cały ten układ planetarny powstały przy mniejszej obecności wody. Jest to kolejny krok na ścieżce do uzyskania odpowiedzi na pytanie, czy atmosfery egzoplanet mogą przetrwać w gwałtownym otoczeniu czerwonych karłów.
Międzynarodowa grupa astronomów wykorzystała obserwacje uzyskane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, aby obliczyć ilość ciepła emitowanego przez planetę skalistą TRAPPIST-1 c. Wyniki sugerują, że atmosfera tej planety – o ile w ogóle istnieje – to jest ekstremalnie rzadka.
Z temperaturą +103 C dla dziennej strony - planeta TRAPPIST-1 c jest najzimniejszą, znaną nam aktualnie skalistą egzoplanetą z temperaturą wyznaczoną na podstawie emisji cieplnej. Dokładność konieczna do uzyskania tych wyników dodatkowo demonstruje, iż Teleskop Webba jest w stanie badać planety skaliste o rozmiarach i temperaturach podobnych do naszego Układu Planetarnego.
Jest to kolejny krok w uzyskaniu odpowiedzi na pytanie, czy egzoplanety orbitujące wokół małych, czerwonych karłów takich jak TRAPPIST-1 (najczęściej występujący rodzaj gwiazdy w Galaktyce) mogą utrzymywać atmosfery niezbędne do podtrzymania życia jakie znamy.
Chcemy wiedzieć, czy planety skaliste mają atmosfery, czy też nie - powiedział Sebastian Zieba (doktorant w Max Planck Institute for Astronomy, Niemcy), a zaraz główny autor publikacji na ten temat w prestiżowym Nature – w przeszłości faktycznie mogliśmy badać tylko planety z grubymi atmosferami, bogatymi w wodór. Dzięki Teleskopowi Webba w końcu zaczęliśmy szukać atmosfer bogatych w tlen, azot i dwutlenek węgla.
TRAPPIST-1 c jest interesująca, ponieważ zasadniczo jest to bliźniaczka Wenus. Jest tej samej wielkości i otrzymuje podobną ilość promieniowania od swojej gwiazdy macierzystej, podobnie jak Wenus od Słońca. Sądziliśmy, że może mieć grubą atmosferę składającą się z dwutlenku węgla podobnie jak Wenus - wyjaśniła współautorka publikacji Laura Kreidberg (Max Planck Institute for Astronomy, Niemcy)
TRAPPIST-1 c jest jedną z siedmiu planet skalistych, orbitujących wokół bardzo zimnego czerwonego karła typu widmowego M. Układ planetarny TRAPPIST-1 znajduje się w odległości około 40 l.św. Mimo, że te egzoplanety mają podobne wielkości i masy jak wewnętrzne planety w naszym Układzie Słonecznym, to nie jest jasne, czy faktycznie mają one podobne atmosfery. Podczas pierwszych miliardów lat życia czerwone karły M emitują silne promieniowanie rentgenowskie, które może łatwo usunąć młode atmosfery planetarne. Dodatkowo może być lub nie być wystarczającej ilości wody, dwutlenku węgla i innych substancji lotnych, aby uformować gęste atmosfery podczas powstawania egzoplanet.
Krzywa blasku z zaćmienia drugiej planety w układzie planetarnym TRAPPIST-1. Jest to zaćmienie wtórne, gdy egzoplaneta TRAPPIST-1 c chowa się za gwiazdę macierzystą. Zaćmienie obserwowano za pomocą Teleskopu Webba współpracującego z kamerą MIRI w średniej podczerwieni (filtr F1500W: 13,5-16,7μm).
Gdy egzoplaneta jest obok gwiazdy, to wtedy zarówno światło pochodzące od dziennej strony egzoplanety jak i gwiazdy dociera do teleskopu (rysunek→„starlight+planet dayside”), i jasność sumaryczna układu jest większa. Natomiast, gdy egzoplaneta schowa się za gwiazdę, to wtedy do obserwatora dociera tylko światło gwiazdy (rysunek→„starlight only”) i jasność sumaryczna układu spada.
Astronomowie potrafią wyliczyć ile energii w podczerwieni pochodzi od dziennej strony egzoplanety na podstawie jasności w różnych fazach zaćmienia. Pozwala to obliczyć temperaturę dziennej strony egzoplanety, jak również określić możliwy skład chemiczny jej atmosfery. Dla TRAPPIST-1 c wyznaczono +103°C –co jest do tej pory najmniejszą wartością uzyskaną metodą tranzytu wtórnego dla planety skalistej.
Dane obserwacyjne na krzywej blasku oznaczono niebieskimi kwadracikami, wartości uśrednione - czerwonymi kółkami, zaś biała linia reprezentuje najlepiej dopasowaną krzywą blasku do danych obserwacyjnych. Podczas tego zaćmienia wtórnego nastąpił spadek jasności mniejszy niż 0,05%. Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), S. Zieba (MPI-A), L. Kreidberg (MPI-A)
Aby odpowiedzieć na te pytania grupa astronomów użyła instrument MIRI (Webb’s Mid-Infrared Instrument) z Teleskopem Webba, aby zaobserwować układ TRAPPIST-1 w chwili, gdy egzoplaneta porusza się za gwiazdą, czyli podczas zjawiska zwanego zaćmieniem wtórnym. Porównując jasność, gdy egzoplaneta jest schowana za gwiazdą (wtedy widzimy tylko światło gwiazdy) z jasnością, gdy egzoplaneta i gwiazda są obok siebie (wtedy widzimy sumarycznie światło gwiazdy i egzoplanety), astronomowie byli w stanie obliczyć ilość światła emitowanego przez dzienną stronę egzoplanety w średniej podczerwieni dla długości fali około 15μm.
Jest to metoda użyta również przez inną grupę astronomów do badania najbardziej wewnętrznej planety tego układu, czyli TRAPPIST-1 b i okazało się, że jest ona pozbawiona jakiejkolwiek atmosfery.
Ilość energii emitowanej w podczerwieni przez egzoplanetę zależy od jej temperatury, na którą z kolei ma wpływ atmosfera egzoplanety. Dwutlenek węgla pochłania promieniowanie elektromagnetyczne w barwie około 15 μm – przez co egzoplaneta wydaje się ciemniejsza w tej barwie (=długość fali λ). Z drugie strony chmury mogą odbijać światło – co z kolei sprawia, że egzoplaneta wydaje się jaśniejsza – ukrywając obecność dwutlenku węgla.
Dodatkowo gęsta atmosfera o dowolnym składzie chemicznym będzie redystrybuowała ciepło z dziennej do nocnej strony egzoplanety – co sprawia, że temperatura dziennej strony egzoplanety będzie niższa niż gdyby nie było atmosfery (ze względu na bliskość orbity planety TRAPPIST-1 c względem swojej gwiazdy macierzystej – około 1/50 odległości pomiędzy Wenus i Słońcem – uważa się, że jest pływowo zsynchronizowana, z jedną stroną zwróconą nieustannie ku gwieździe macierzystej i drugą – pogrążoną w „wiecznej” ciemności).
Omawiane tutaj wyniki obserwacji zawężają zakres pytań o naturę TRAPPIST-1 c. Wyjaśnił to S. Zieba – nasze wyniki (patrz rysunek poniżej – przypis autora) są zgodne z planetą bez atmosfery, która jest pokryta skałami lub z planetą o bardzo rzadkiej atmosferze bez chmur zawierającej CO2 (atmosfera rzadsza niż na Ziemi lub nawet na Marsie). Gdyby planeta posiadała gęstą atmosferę CO2, to obserwowalibyśmy bardzo płaskie zaćmienie wtórne lub nawet w ogóle by go nie było. Tak jest, ponieważ CO2 pochłaniałby całe promieniowanie około 15 mikronów, a więc nie moglibyśmy zarejestrować czegoś pochodzącego z tej planety.
Obserwacje uzyskane za pomocą Teleskopu Webba pokazują również, że TRAPPIST-1 c nie jest prawdziwym analogiem planety Wenus z grubą atmosferą składającą się z CO2 i z chmurami zawierającymi kwas siarkowy.
Brak gęstej atmosfery sugeruje, że planeta mogła powstać w ośrodku względnie ubogim w wodę. Jeżeli egzoplanety układu TRAPPIST-1 powstały w podobnym, chłodnym i ubogim ośrodku, to mogły również uformować się z małą ilością wody i innych składników, dzięki którym planeta nadaje się do zamieszkania.
Czułość instrumentu wymagana do rozróżnienia pomiędzy różnymi modelami atmosfer dla tak małych planet jest rzeczywiście zdumiewająca. Spadek jasności, który zarejestrował Teleskop Webba podczas wtórnego zaćmienia wyniósł zaledwie 0,04% - to jest tak, jakbyśmy zauważyli, że zgasły 4 żarówki spośród świecących 10 tysięcy.
Jest niezwykłe, że potrafimy to zmierzyć - powiedziała Laura Kreidberg – od dziesięcioleci nurtuje nas pytanie, czy skaliste planety mogą utrzymywać atmosfery. Zdolności Teleskopu Webba faktycznie doprowadziły nas do obszaru, gdzie możemy porównywać układy egzoplanetarne do naszego Układu Słonecznego w sposób niemożliwy nigdy wcześniej.
Porównanie pomiaru jasności egzoplanety TRAPPIST-1 c z trzema symulowanymi komputerowo modelami. Wartość obserwowana za pomocą Teleskopu Webba (czerwony romb) jest zgodna z modelem planety skalistej bez atmosfery (zielona linia) lub planety zawierającej bardzo rzadką atmosferę z CO2, ale bez chmur (niebieska linia). Natomiast mało jest prawdopodobna atmosfera podobna do Wenus (żółta linia) z grubą atmosferą składającą się z CO2 i z chmurami zawierającymi kwas siarkowy.
Oś Y przedstawia jasność (czasami też określane pojęciem natężenia lub strumienia) jako głębokość zaćmienia, która jest różnicą pomiędzy sumaryczną jasnością gwiazdy i planety (gdy planeta jest obok gwiazdy) i jasnością samej gwiazdy (gdy planeta schowana jest za gwiazdą). Na rysunku jasność Y rośnie od dołu do góry – im głębsze zaćmienie, tym jaśniejsza jest planeta. Oś X prezentuje długość fali (kolor) obserwowanego światła. Długości fali na tym wykresie dotyczą podczerwieni, czyli zakresu fal elektromagnetycznych nie możliwego do zaobserwowania gołym okiem.
Niebieska linia prezentuje model widma emisyjnego dla dziennej strony egzoplanety zawierającej w atmosferze tlen, 0,01% CO2 przy ciśnieniu na powierzchni 0,1 bara (dla porównania ta atmosfera jest znacznie rzadsza niż atmosfera Ziemi, która zawiera azot, tlen, 0,04% CO2, przy ciśnieniu na powierzchni 1 bar).
Zielona linia prezentuje model widma emisyjnego dla dziennej strony egzoplanety, która nie posiada atmosfery i powierzchnia zawiera skały ultramaficzne.
Pomarańczowa linia prezentuje model widma emisyjnego dla dziennej strony egzoplanety podobnej do Wenus z atmosferą zawierającą 96,5% CO2 i chmury z kwasem siarkowym oraz ciśnieniem na powierzchni 10 barów.
Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), S. Zieba (MPI-A), L. Kreidberg (MPI-A)
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (Nature - dostęp otwarty): No thick carbon dioxide atmosphere on the rocky exoplanet TRAPPIST-1 c
Webb Rules Out Thick Carbon Dioxide Atmosphere for Rocky Exoplanet
Źródło: NASA, ESA, CSA
Na ilustracji wizja artystyczna egzoplanety TRAPPIST-1 c według aktualnego stanu wiedzy (nie jest to zdjęcie zrobione za pomocą Teleskopu Webba!). Jest to druga planeta w układzie planetarnym TRAPPIST-1 składającym się z 7 planet, która orbituje wokół gwiazdy-czerwonego karła (temperatura powierzchniowa gwiazdy=2500K, jasność=9% Lʘ) z okresem 2,42 dni ziemskich w odległości 2,4 mln km. Planeta jest nieco większa od Ziemi, ale o zbliżonej średniej gęstości-co wskazuje, że może to być planetą skalistą. Obserwacje w podczerwieni 15μm za pomocą Teleskopu Webba wskazują, że albo to jest planeta czysto skalista, albo otoczona bardzo rzadką atmosferą CO2. Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), S. Zieba (MPI-A), L. Kreidberg (MPI-A)
