Czy planeta skalista krążąca w bliskiej odległość czerwonego karła jest w stanie utrzymać bądź odtworzyć swoj atmosferę? Badania z użyciem JWST pomagają odpowiedzieć na to pytanie.
Najczęściej występujące gwiazdy we Wszechświecie to czerwone karły, co oznacza, że najbardziej prawdopodobne jest znalezienie skalistych egzoplanet krążących wokół tego typu gwiazdy. Gwiazda tego typu jest stosunkowo chłodna, więc planeta musi okrążać ją po ciasnej orbicie, aby utrzymać ciepło wystarczające do utrzymania na swojej powierzchni wody w stanie ciekłym (co oznacza, że znajduje się ona wówczas w strefie nadającej się do zamieszkania). Takie gwizdy są również bardzo aktywne, zwłaszcza wtedy, gdy są młode, w związku z czym emitują promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie, które może zniszczyć atmosferę ich hipotetycznych planet. W rezultacie bardzo ważnym i wciąż otwartym pytaniem w astronomii jest to, czy taka skalista planeta może utrzymać atmosferę w tak nieprzyjaznym środowisku.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Posłużył on do zbadania skalistej egzoplanety znanej jako GJ 486 b. Krąży ona zbyt blisko swojej gwiazdy, aby mogła znajdować się w ekosferze, a temperatura jej powierzchni wynosi około 430oC. A jednak obserwacje przeprowadzone za pomocą spektrografu bliskiej podczerwieni Webba (NIRSpec) pokazują tam ślady pary wodnej. Jeżeli ta para wodna jest powiązana z planetą, oznaczałoby to, że ma ona atmosferę – pomimo palących temperat i bliskiej odległości od gwiazdy macierzystej. Warto dodać, że w ogólności para wodna była już wcześniej wykrywana na gazowych egzoplanetach, ale jak dotąd nie wykryto tego typu atmosfery wokół skalistej, niewielkiej egzoplanety. Zespół przestrzega jednak, że para wodna może znajdować się też na samej gwieździe – w szczególności w chłodnych plamach gwiazdowych – i niekoniecznie pochodzi z samej planety.
Widzimy sygnał i jest on prawie na pewno związany z wodą. Ale nie możemy jeszcze potwierdzić, że ta woda jest częścią atmosfery planety, co oznaczałoby, że planeta ma atmosferę, czy po prostu widzimy sygnaturę wody pochodzącą od samej gwiazdy – wyjaśnia Sarah Moran z University of Arizona w Tucson, główna autorka badania.
Para wodna w atmosferze gorącej, skalistej planety stanowiłaby duży przełom w nauce o egzoplanetach. Musimy jednak być ostrożni i upewnić się, że nie sama gwiazda jest tu winowajcą – dodał Kevin Stevenson z Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory w Laurel w stanie Maryland, główny badacz programu.
GJ 486 b jest około 30% większa od Ziemi i trzy razy bardziej masywna, co oznacza, że może być skalistym światem o silniejszej niż Ziemia grawitacji. Okrąża swoją gwiazdę, czerwonego karła, w niecałe 1,5 ziemskiego dnia. Naukowcy przewidują, że w przyszłości planeta będzie zablokowana pływowo, ze stroną stale dzienną i stroną nocną.
Patrząc jednak z naszego punktu widzenia, planeta ta przechodzi często przed tarczą swojej gwiazdy. Jeżeli posiada ona atmosferę, to podczas tranzytu światło gwiazdy przefiltruje te gazy, pozostawiając w świetle charakterystyczne "odciski palców", które pozwolą astronomom rozszyfrować jej skład za pomocą techniki zwanej spektroskopią transmisyjną.
Zespół zaobserwował dwa tranzyty, każdy trwający około godziny. Następnie użyto trzech różnych metod analizy uzyskanych danych. Wyniki wszystkich trzech metod są zgodne, gdyż pokazują przeważnie płaskie widmo z intrygującym wzrostem przy najkrótszych długościach fal podczerwonych. Zespół przeprowadził modelowanie komputerowe uwzględniające szereg różnych cząsteczek i doszedł do wniosku, że najbardziej prawdopodobnym źródłem tego sygnału jest para wodna.
Podczas gdy para wodna może potencjalnie wskazywać na obecność atmosfery na GJ 486 b, równie prawdopodobnym wyjaśnieniem jest para wodna pochodząca z gwiazdy. Co zaskakujące, nawet na naszym Słońcu para wodna może czasami występować w plamach słonecznych, ponieważ plamy te są bardzo chłodne w porównaniu z otaczającą je powierzchnią gwiazdy. Gwiazda macierzysta GJ 486b jest znacznie chłodniejsza od Słońca, więc jeszcze więcej pary wodnej skupiałoby się w jej plamach gwiazdowych. W rezultacie mogłaby ona wytworzyć sygnał naśladujący atmosferę planetarną.
Nie zaobserwowaliśmy dowodów na to, że podczas tranzytów planeta przecina jakiekolwiek plamy gwiazdowe. Ale to nie oznacza, że nie ma plam w innych miejscach na gwieździe. I to jest dokładnie fizyczny scenariusz, który odcisnął by ten sygnał wodny w danych i mógłby wyglądać jak atmosfera planety – wyjaśnił Ryan MacDonald z University of Michigan w Ann Arbor, jeden ze współautorów badania.
Oczekuje się, że atmosfera złożona z pary wodnej będzie stopniowo ulegać degradacji w wyniku ogrzewania i napromieniowania gwiazdy. W rezultacie, jeżeli atmosfera jest obecna, prawdopodobnie musiałaby być stale uzupełniana przez wulkany wyrzucające parę wodną z wnętrza planety. Jeżeli woda rzeczywiście znajduje się w atmosferze planety, potrzebne są dodatkowe obserwacje, aby zawęzić tam parametr określający jej całkowitą ilość.
Przyszłe obserwacje z użyciem Teleskopu Webba mogą rzucić więcej światła na ten ciekawy sygnał. W nadchodzącym programie obserwacyjnym Webb użyje instrumentu średniej podczerwieni (MIRI) do obserwacji dziennej strony planety. Jeżeli planeta nie ma atmosfery lub ma tylko cienką, najgorętsza część strony dziennej powinna znajdować się dokładnie "pod" gwiazdą. Jednak jeżeli ten najgorętszy punkt okaże się przesunięty, wskazywałoby to na atmosferę, która może powodować tam cyrkulację ciepła.
Ostatecznie również obserwacje na krótszych falach podczerwonych przez inny instrument Webba, Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), będą potrzebne do rozróżnienia pomiędzy atmosferą planety a scenariuszami związanymi z plamami gwiazdowymi.
Połączenie wielu instrumentów naprawdę pozwoli określić, czy ta planeta ma atmosferę – podsumowuje Stevenson.
Omawiana praca została zaakceptowana do publikacji w The Astrophysical Journal Letters.
Więcej informacji:
- Webb Finds Water Vapor, But From a Rocky Planet or Its Star?
- High Tide or Rip-Tide on the Cosmic Shoreline? A Water-Rich Atmosphere or Stellar Contamination for the Warm Super-Earth GJ 486b from JWST Observations
Źródło: NASA
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna skalistej egzoplanety GJ 486 b, która krąży wokół czerwonego karła odległego od nas zaledwie o 26 lat świetlnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
