Wykorzystując teleskop Webba astronomowie potwierdzili odkrycie gorącej egzoplanety o średnicy niemal identycznej jak ziemska (99,1% ±0,5%), która orbituje bardzo blisko czerwonego karła LHS 475. Pierwsze wyniki wskazują, że ta egzoplaneta nie posiada atmosfery lub jest bardzo rzadka. Dodatkowe obserwacje latem 2023 roku powinny rozstrzygnąć tą kwestię.
Gwiazda LHS 475 (inne oznaczenia: Gliese 4102, L 22-69, LTT 7606, TOI-910) jest karłem typu widmowego M3.5 (promień ~0,28 Rʘ), który znajduje się w odległości 41 l.św. od Ziemi. Jest widoczna na południowym niebie w gwiazdozbiorze Oktantu tylko przez teleskopy (jasność obserwowana w filtrze V=12,69m).
Satelita fotometryczny TESS (skrót z j.ang. „Transiting Exoplanet Survey Satellite”) zarejestrował spadki jasności gwiazdy LHS 475, które nie wskazywały jednoznacznie na istnienie planety. Dlatego obiekt zyskał status „kandydata na planetę”, czyli TOI-910.01 w nomenklaturze TESS.
Istnienie nieznanej planety potwierdziły dopiero obserwacje jej przejścia (tranzytu) na tle tarczy gwiazdy LHS 475 za pomocą spektrografu NIRSpec (skrót z j.ang. „Near-Infrared Spectrograph”), który współpracuje z teleskopem Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba. Mimo, że był blokowany maksymalnie tylko 0,1% promieniowania gwiazdy macierzystej, NIRSpec zarejestrował to jednoznacznie podczas dwóch tranzytów trwających około 40 minut każdy.
W jaki sposób astronomowie odkrywają odległe planety? Poprzez obserwacje zmian jasności gwiazdy, gdy wokół niej porusza się planeta ruchem orbitalnym. Niniejsza krzywa blasku prezentuje zmiany jasności podczas przejścia planety na tle tarczy gwiazdy LHS 475 w dniu 31 sierpnia 2022 roku. Została uzyskana za pomocą spektrografu NIRSpec współpracującego z teleskopem Webba. LHS 475 b jest planetą skalistą o wielkości zbliżonej do Ziemi, która krąży wokół czerwonego karła znajdującego się w odległości 41 l.św. od nas w gwiazdozbiorze Oktantu. Egzoplaneta porusza się po orbicie o okresie zaledwie 2 ziemskich dób. Potwierdzenie istnienia tej planety było możliwe dzięki danym z teleskopu Webba.
Powyższy wykres (krzywa blasku) przedstawia względne zmiany jasności rzędu 0,1 % dla układu gwiazda – planeta, który obejmuje trzy godziny obserwacji. Jasność układu utrzymuje się na stałym poziomie do momentu rozpoczęcia przejścia, czyli tranzytu planety na tle tarczy gwiazdy. Jasność stopniowo spada, osiąga płaskie minimum i następnie rośnie do momentu, aż planeta przestanie przesłaniać gwiazdę. Źródło: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI), K. Stevenson, J. Lustig-Yaeger, E. May (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), G. Fu (Johns Hopkins University), and S. Moran (University of Arizona)
Ta planeta otrzymała nazwę LHS 475 b. Okazało się, że jej wielkość jest niemal identyczna jak naszej Ziemi (99,1% ±0,5%) i krąży po orbicie o okresie 2,03 dnia ziemskiego. Przypuszcza się, że jej okres rotacji jest zsynchronizowany pływowo z okresem orbitalnym. Dlatego w stronę gwiazdy może być zwrócona cały czas ta sama część tarczy planety.
Nie ma wątpliwości, że znajduje się tam planeta. Potwierdziły to znakomitej jakości dane z teleskopu Webba – powiedział główny autor publikacji (ukaże się w Nature, dostępna aktualnie w ArXiv: 2301.04191), dr Jacob Lustig-Yaeger (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, USA).
Fakt, że jest to również mała, skalista planeta robi wrażenie - dodał współautor publikacji Stevenson.
Te pierwsze wyniki obserwacji planety skalistej o wielkości Ziemi otwierają drzwi dla wielu przyszłych badań atmosfer planet skalistych za pomocą teleskopu Webba - zgodził się Mark Clampin (NASA) – Teleskop Webba zbliża nas do zrozumienia na nowo światów podobnych do naszej Ziemi poza naszym Układem Słonecznym i ta misja właśnie rozpoczyna się.
Ze wszystkich aktualnie funkcjonujących teleskopów, tylko Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest zdolny do badania atmosfer egzoplanet o wielkości Ziemi. Zespół astronomów próbował określić, co zawiera atmosfera tej planety poprzez analizę jej widma transmisyjnego. Choć dane wskazują, że jest to planeta o wielkości Ziemi, to astronomowie jeszcze nie wiedzą, czy posiada ona atmosferę.
Te obserwacje są przepiękne – powiedział Erin May (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, USA) – Teleskop jest tak czuły, że może łatwo zarejestrować wiele molekuł, ale jeszcze nie możemy wyciągnąć ostatecznych wniosków odnośnie atmosfery tej planety.
Chociaż zespół astronomów badających planetę LHS 475 b nie może określić co jest obecne w jej atmosferze, ale może z pewnością stwierdzić czego nie ma.
Są pewne typy atmosfer, które możemy odrzucić – wyjaśnił Lustig-Yaeger – Nie może to być gruba, atmosfera z metanem jako dominującym składnikiem, podobna do atmosfery Tytana – księżyc Saturna.
Według astronomów analizujących obserwacje LHS 475 jest prawdopodobne, że ta planeta nie posiada atmosfery, ale również inne składy atmosfery nie można zignorować, np. atmosfery z czystego dwutlenku węgla.
Przeczy to naszym intuicjom, ale atmosfera ze 100% dwutlenku węgla jest tak zwarta, że jej detekcja stanowi wielkie wyzwanie – powiedział Lustig-Yaeger. Jeszcze bardziej dokładne obserwacje są konieczne, aby astronomowie mogli odróżnić atmosferę z czystym dwutlenkiem węgla od planety bez atmosfery. Badacze zarezerwowali latem 2023 roku czas obserwacyjny na teleskopie Webba, aby uzyskać więcej widm atmosfery tej planety i sporządzić uśrednione widmo transmisyjne o znacznie lepszej jakości.
Te obserwacje ujawniły również, że planeta jest o kilkaset stopni gorętsza niż Ziemia. Jeżeli więc uda się odkryć taką atmosferę, to - zdaniem badaczy - będzie to planeta przypominająca Wenus, która posiada atmosferę z dwutlenkiem węgla i cały czas jest zakryta grubą warstwą chmur.
Właśnie rozpoczynamy badania małych, skalistych egzoplanet – powiedział Lustig-Yaeger – Dopiero, ledwo co liznęliśmy skrawek wiedzy, jak ich atmosfery mogą wyglądać.
Astronomowie potwierdzili również, że LHS 475 b obiega gwiazdę macierzystą z okresem około dwóch dni. Jest to informacja dostępna bezpośrednio z krzywej blasku, uzyskanej dzięki obserwacjom teleskopem Webba. Naukowcy jeszcze nie odrzucają hipotezy o istnieniu atmosfery na tej egzoplanecie, która znajduje się znacznie bliżej niż jakakolwiek planeta w Układzie Słonecznym, również z tego powodu, że gwiazdą w tym układzie planetarnym jest czerwony karzeł o temperaturze powierzchniowej ponad dwukrotnie mniejszej niż Słońce.
Te wyniki są początkiem szczegółowych badań planet o wielkości zbliżonej do Ziemi, które orbitują wokół gwiazd o mniejszych rozmiarach – wokół czerwonych karłów. Niezależnie od tego jak wspaniały jest Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, jednak posiada on ograniczone możliwości obserwacyjne tranzytów egzoplanet o wielkości porównywalnej z naszą Ziemią. Tzn. może zaobserwować znaczne zmiany jasności około 0,1% podczas takiej tranzytu planety na tle gwiazdy-czerwonego karła, ale zawodzi dla znacznie większych gwiazd takich jak np. nasze Słońce (astronomowie określają ją pojęciem „żółtego karła”), gdy te zmiany jasności są rzędu 0,01% lub mniej.
Jest to znakomity rezultat, ponieważ przed epoką teleskopu Webba astronomowie uzyskiwali tylko widma transmisyjne atmosfer dużych planet-olbrzymów z potężnymi atmosferami, zawierającymi dużej ilości gazów. Niezwykła precyzja Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pozwoliła zejść z badaniami atmosfer planet o wielkości Jowisza do planet o wielkości Ziemi.
Tak się przypadkowo zdarzyło, że nie jest to ani błąd teleskopu, ani badaczy - pierwsza egzoplaneta odkryta przez teleskop Webba o wielkości porównywalnej z Ziemią, czyli LHS 475 b, najprawdopodobniej nie posiada atmosfery lub ta atmosfera jest bardzo rzadka!
Widmo transmisyjne atmosfery planety skalistej LHS 475 b w bliskiej podczerwieni (~3-5μm). Dane obserwacyjne są reprezentowane jako białe kropki z szarymi prostokątami błędów na wykresie: procent blokowanego promieniowania podczerwonego vs długość fali w mikronach. Prosta/żółta linia odpowiada modelowi bez pochłaniania światła w atmosferze, zakrzywiona/zielona – modelowi atmosfery tylko z metanem (w tym modelu należy oczekiwać blokowania promieniowania około 3,3 μm), zakrzywiona/fioletowa – modelowi atmosfery tylko z dwutlenkiem węgla (praktycznie nierozróżnialna od modelu atmosfery bez pochłaniania). Źródło: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI), K. Stevenson, J. Lustig-Yaeger, E. May (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), G. Fu (Johns Hopkins University), and S. Moran (University of Arizona)
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (aktualnie dostępna jest wersja darmowa w arXiv, docelowo ukaże się w Nature):
• A JWST transmission spectrum of a nearby Earth-sized exoplanet
• NASA’s Webb Confirms Its First Exoplanet
• Webb Confirms Its First Exoplanet
• No atmosphere found on JWST’s first Earth-sized exoplanet
• Portal Urania: Mały przegląd widm atmosfer (egzo)planet i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
Źródło: NASA/ESA
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Wizja artystyczna planety LHS 475 b na czarnym tle na podstawie naszej wiedzy uzyskanej dzięki teleskopowi Webba. Widać na pierwszym planie dużą, skalistą planetę o wielkości porównywalnej z Ziemią z oświetloną w 2/3 powierzchnią i 1/3 pozostającą w cieniu. Egzoplaneta krąży po orbicie o okresie zaledwie 2 ziemskich dób. Ten układ znajduje się dość blisko od nas, bo w odległości około 41 l.św. w gwiazdozbiorze Oktantu. Latem 2023 roku są planowana dalsze obserwacje LHS 475 b z użyciem teleskopu Webba, które pozwolą definitywnie rozstrzygnąć, czy ta planeta posiada atmosferę. Źródło: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI)
