Sfotografowanie egzoplanety jest niezwykle trudne, ponieważ gwiazdy w innych układach planetarnych mogą być tysiące razy jaśniejsze i większe od swoich planet. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wyposażony w niezwykle czuły koronograf, czyli maleńką maskę blokującą światło gwiazdy, co pozwala mu na obrazowanie egzoplanet.
Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba uchwycił bezpośrednie obrazy wielu gazowych planet olbrzymów w kultowym układzie planetarnym HR 8799, oddalonym o 130 lat świetlnych, który od dawna jest kluczowym celem badań nad powstawaniem planet.
Obserwacje wskazują, że dobrze zbadane planety HR 8799 są bogate w dwutlenek węgla. Stanowi to silny dowód na to, że cztery gigantyczne planety tego układu powstały podobnie jak Jowisz i Saturn, poprzez powolne budowanie stałych jąder, które przyciągają gaz z wnętrza dysku protoplanetarnego, w procesie znanym jako akrecja jądra.
Wyniki potwierdzają również, że Webb może określić skład chemiczny atmosfer egzoplanet poprzez obrazowanie. Ta technika uzupełnia potężne instrumenty spektroskopowe Webba, które mogą rozdzielić składniki atmosfery.
Wykrywając te silne linie dwutlenku węgla, pokazaliśmy, że w atmosferach tych planet znajduje się znaczna część cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, tlen i żelazo – powiedział William Balmer z Johns Hopkins University w Baltimore. Biorąc pod uwagę to, co wiemy o gwieździe, wokół której krążą, prawdopodobnie wskazuje to na to, że powstały one poprzez akrecję jądra, co jest ekscytującym wnioskiem dla planet, które możemy bezpośrednio zobaczyć.
Balmer jest głównym autorem badania, którego wyniki opublikowano w The Astrophysical Journal. Analiza Balmera i jego zespołu obejmuje również obserwację Webba dotyczącą układu oddalonego o 97 lat świetlnych, zwanego 51 Eridani.
Zdjęcie Eridani 51b, chłodnej, młodej egzoplanety, która krąży w odległości 890 milionów mil od swojej gwiazdy, podobnie jak Saturn w naszym Układzie Słonecznym. Układ 51 Eridani oddalony jest od Ziemi o 97 lat świetlnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Laurent Pueyo (STScI), William Balmer (JHU), Marshall Perrin (STScI)
HR 8799 to młody system mający około 30 milionów lat – ułamek 4,6 miliarda lat naszego Układu Słonecznego. Nadal gorące po burzliwym powstaniu planety w HR 8799 emitują duże ilości światła podczerwonego, które dostarczają naukowcom cennych danych na temat tego, jak powstały.
Widmo planety HR 8799e, które przedstawia ilość światła w bliskiej podczerwieni wykrytego od planety przez Webba przy różnych długościach fal. Niebieska i żółta linia to najlepiej dopasowany model atmosfery, która byłaby albo uboga, albo bogata w metale cięższe od helu, w tym węgiel (niska lub wysoka metaliczność). Pomiary Webba (widmowe odciski palców dwutlenku węgla i tlenku węgla) odpowiadają planecie o wysokiej metaliczności. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)
Olbrzymie planety mogą przybierać kształt na dwa sposoby: poprzez powolne budowanie stałych jąder z cięższych pierwiastków, które przyciągają gaz, tak jak olbrzymy w naszym Układzie Słonecznym, lub gdy cząsteczki gazu szybko łączą się w masywne obiekty ze stygnącego dysku młodej gwiazdy, który jest zbudowany głównie z tego samego rodzaju materiału, co gwiazda. Pierwszy proces nazywa się akrecją jądra, a drugi niestabilnością dysku. Wiedza o tym, który model formowania jest bardziej powszechny, może dać naukowcom wskazówki, jak odróżnić typy planet, które znajdują w innych układach.
Naszą nadzieją w tego typu badaniach jest zrozumienie naszego własnego Układu Słonecznego, życia i nas samych w porównaniu do innych układów egzoplanetarnych, abyśmy mogli zinterpretować nasze istnienie – powiedział Balmer. Chcemy robić zdjęcia innych układów słonecznych i zobaczyć, jak są podobne lub różne w porównaniu do naszego. Na tej podstawie możemy spróbować zrozumieć, jak dziwny jest nasz Układ Słoneczny – lub jak normalny.
Spośród prawie 6000 odkrytych egzoplanet, niewiele zostało bezpośrednio sfotografowanych, ponieważ nawet planety olbrzymy są tysiące razy słabsze od swoich gwiazd. Zdjęcia HR 8799 i 51 Eridani były możliwe dzięki koronografowi NIRCam (Near-Infrared Camera) Webba, który blokuje światło jasnych gwiazd, aby odsłonić ukryte światy.
Technologia ta pozwoliła zespołowi na poszukiwanie światła podczerwonego emitowanego przez planety w długościach fal, które są pochłaniane przez określone gazy. Zespół odkrył, że cztery planety HR 8799 zawierają więcej ciężkich pierwiastków, niż wcześniej sądzono.
Zespół przygotowuje grunt pod bardziej szczegółowe obserwacje, które pozwolą ustalić, czy obiekty krążące wokół innych gwiazd są rzeczywiście planetami olbrzymami, czy też obiektami takimi jak brązowe karły, które powstają jak gwiazdy, ale nie gromadzą wystarczającej masy, aby zainicjować syntezę jądrową.
Mamy inne dowody, które wskazują na to, że te cztery planety HR 8799 powstały dzięki temu podejściu oddolnemu — powiedział Laurent Pueyo, astronom ze Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore, który współkierował pracami. Jak powszechne jest to w przypadku planet, które możemy bezpośrednio zobrazować? Jeszcze nie wiemy, ale proponujemy więcej obserwacji Webba, aby odpowiedzieć na to pytanie.
Wiedzieliśmy, że Webb może mierzyć kolory planet zewnętrznych w systemach bezpośrednio obrazowanych — dodał Rémi Soummer, dyrektor Russell B. Makidon Optics Lab w STScI i były kierownik ds. operacji koronografu Webba. Czekaliśmy przez 10 lat, aby potwierdzić, że nasze precyzyjnie dostrojone operacje teleskopu pozwolą nam również uzyskać dostęp do planet wewnętrznych. Teraz mamy wyniki i możemy na nich prowadzić interesujące badania naukowe.
Obserwacje NIRCam HR 8799 i 51 Eridani przeprowadzono w ramach programów Gwarantowanych Czasów Obserwacyjnych 1194 i 1412.
Więcej:
NASA's Webb Images Young, Giant Exoplanets, Detects Carbon Dioxide
Opracowanie: Magda Maszewska
Źródło: Space Telescope Science Institute
Na ilustracji: Najwyraźniejszy jak dotąd widok układu HR 8799. Symbol gwiazdy oznacza lokalizację gwiazdy macierzystej HR 8799, której światło zostało zablokowane przez koronograf. Kolory na tym zdjęciu mówią o temperaturach i składzie planet. HR 8799b, która krąży około 6,3 miliarda mil od gwiazdy, jest najzimniejsza ze wszystkich i najbogatsza w dwutlenek węgla. HR 8799e krąży 1,5 miliarda mil od swojej gwiazdy i prawdopodobnie powstała bliżej jej, gdzie występowały większe wahania w składzie materiału. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Laurent Pueyo (STScI), William Balmer (JHU), Marshall Perrin (STScI)
