Webbův vesmírný teleskop NASA odhaluje tajemství nejzáhadnější planety galaxie

Vesmírný dalekohled NASA James Webb Space Telescope se připravuje na odstranění oparu obklopujícího Sub-Neptun

Podrobné studie atmosféry poskytnou klíčové pohledy na některé z nejběžnějších – a záhadných – planet známých v galaxii.

The mléčná dráha Plný tajemných planet větších než Země, ale poněkud menších Neptune, obíhající kolem svých hvězd rychleji a blíže, než Merkur obíhá kolem Slunce. Přesná povaha těchto všudypřítomných planet velikosti blízké Neptunu, vzdálená světelné roky, zakrytá mlhou nebo mraky a není s čím srovnávat v naší vlastní sluneční soustavě. co udělali? Jak vznikly? A co nám mohou říci o planetách a planetárním vývoji obecně?

Díky své jedinečné schopnosti měřit extrémně nepatrné rozdíly v jasu a barvě slabého infračerveného světla, NASA‚s Vesmírný dalekohled Jamese Webba Určeno k odstranění oparu obklopujícího povahu a původ nejběžnějších typů planet pozorovaných v Mléčné dráze.

Ilustrace srovnávající velikosti subneptunských exoplanet TOI-421 b a GJ 1214 b se Zemí a Neptunem. TOI-421 b a GJ 1214 b leží mezi Zemí a Neptunem z hlediska poloměru, hmotnosti a hustoty. Nízké hustoty dvou exoplanet naznačují, že by měly mít hustou atmosféru. Planety jsou uspořádány zleva doprava v pořadí podle rostoucího poloměru a hmotnosti:
Snímek Země z Deep Space Climate Observatory: Země je kamenná planeta s průměrným poloměrem asi 6370 km, hmotností asi 6 miliard bilionů metrických tun a hustotou 5,5krát větší než má voda.
Ilustrace TOI-421 b: TOI-421 b je horká subneptunská exoplaneta s poloměrem 2,68krát větší než Země, hmotností 7,2krát větší než Země a hustotou 2,05krát větší než má voda.
Ilustrace GJ 1214 b: GJ 1214 b je teplá subneptunská exoplaneta s poloměrem 2,74krát větším než Země, hmotností 8,2krát větší než Země a hustotou 2,2krát větší než má voda.
Obrázek Neptunu z Voyageru 2: Neptun je ledový obr s poloměrem 3,88krát větším než průměr Země (což mu dává objem téměř 58krát větší než velikost Země), hmotností 17krát větší než Země a hustotou pouze 1,6krát větší než má voda.
Obrázek ukazuje měření planet z hlediska poloměru, ale ne umístění ve vesmíru nebo vzdálenosti od jejich hvězd. Zatímco Země a Neptun obíhají kolem Slunce, TOI-421b obíhá kolem hvězdy podobné Slunci vzdálené asi 244 světelných let a GJ 1214b obíhá kolem malého červeného trpaslíka vzdáleného asi 48 světelných let.
Poděkování: NASA, ESA, CSA a D. Player (STScI)

Více než polovina hvězdných systémů podobných Slunci zkoumaných v Mléčné dráze ukrývá záhadný typ planety, který nemá v naší sluneční soustavě obdoby.

Tyto teplé až horké podplanety jsou větší než Země, menší než Neptun a obíhají kolem svých hvězd blíže, než obíhá Merkur kolem Slunce, jsou nejběžnějším typem planet pozorovaných v galaxii. Ale ačkoliv vědci dokázali změřit základní vlastnosti – včetně velikosti, hmotnosti a oběžné dráhy – stovek těchto planet, jejich základní povaha zůstává nejasná.

Jsou to husté, Zemi podobné koule z horniny a železa, pokryté silnými vrstvami plynného vodíku a helia? Nebo méně husté směsi skály a ledu, obklopené parnou atmosférou bohatou na vodu? S omezenými daty a bez planet podobné velikosti a oběžné dráhy v naší sluneční soustavě, které by bylo možné použít pro srovnání, bylo obtížné na tyto otázky odpovědět.

„Co jsou to za planety? Jak se tvoří? Proč je nemá naše sluneční soustava? To jsou základní otázky,“ vysvětluje Jacob Bean, astronom University of Chicago Což vedlo k mnoha pozorováním exoplanet.

Ilustrace toho, jak by mohla vypadat exoplaneta TOI-421b. TOI-421 b je horká exoplaneta velikosti Neptunu obíhající kolem hvězdy podobné Slunci přibližně 244 světelných let od Země. Předpokládá se, že TOI-421 b má čistou atmosféru bez zákalu. Poděkování: NASA, ESA, CSA a D. Player (STScI)

problém s mlhou

Klíčem k poznání, jaké jsou dílčí složky Neptunu a jak vznikly, je prozkoumat jejich atmosféru. Získat jasný výhled však nebylo snadné.

Nejúčinnější metoda analýzy extrasolární planeta Atmosférická je technika známá jako transmisní spektroskopie. Když planeta míjí svou hvězdu, některé vlnové délky (barvy) světla hvězdy jsou odfiltrovány plyny v atmosféře planety. Vzhledem k tomu, že každý typ plynu má jedinečný „podpis“ nebo soubor vlnových délek, které absorbuje, je možné na základě vzorů přenosového spektra říci, z čeho je atmosféra tvořena.

Tato technika byla úspěšná na mnoha exoplanetách, ale ne na většině sub-Neptunů. „Bylo velmi málo atmosférických pozorování sub-Neptunů,“ vysvětluje Eliza Kimpton z University of Maryland-College Park, která se specializuje na teoretické modelování atmosfér exoplanet. „A většina z nich byla nespokojená, protože spektra neodhalila mnoho spektrálních rysů, které by nám umožnily identifikovat plyny v atmosféře.“

TOI-421b potenciální přenosové spektrum horkého extrasolárního Neptunu. Spektrum přenosu ukazuje, kolik světla hvězd o různých vlnových délkách (barvách) je blokováno atmosférou planety. Vědci používají počítačové modely k předpovědi, jak budou spektra vypadat za předpokladu rozumných atmosférických podmínek, jako je teplota, množství různých plynů a typy přítomných aerosolů. Poděkování: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Elisa Kimpton (UMD)

Zdá se, že problémem jsou aerosoly, jemné částice a kapičky, které tvoří mraky nebo mlhu. Tyto částice rozptylují světlo hvězd, erodují výrazné spektrální vrcholy do jemných vlnek a činí spektrum téměř nepoužitelným z hlediska určování složení plynu.

Ale s Webbem jsou vědci přesvědčeni, že se rýsuje mnohem jasnější pohled na sub-Neptun. Dva pozorovací programy společně vedené Beanem a Kemptonem a naplánované na první rok provozu Webba využijí jedinečné výkonné schopnosti Webba k průzkumu subplanet velikosti Neptunu: GJ 1214 b, subarchetyp Neptuna; a TOI-421 b, novější objev.

Originální model Neptune: GJ 1214 B

GJ 1214 b, teplý kvazi-Neptun obíhající kolem blízké hvězdy červeného trpaslíka, byl předmětem desítek zkoumání. Jeho krátká oběžná doba, velká velikost vzhledem ke své hvězdě a srovnatelná blízkost k Zemi usnadňují (stejně jako exoplanety) efektivní pozorování, zatímco její status jako podmnožiny Neptunu – a podle Beana, „nejzáhadnější exoplanety, kterou my vědět“ – dělá z toho cíl. Stojí za to prozkoumat.

Tento zjednodušený diagram fázové křivky exoplanet ukazuje změnu celkové jasnosti hvězdného systému a planet, jak planeta obíhá kolem hvězdy. Systém se zdá být jasnější, když větší část osvětlené strany planety směřuje k dalekohledu (plná fáze), a ztmavne, když je temná strana obrácena k dalekohledu (nová fáze). Poděkování: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI)

Tým použije Webbův Mid-Infrared Instrument (MIRI) ke sledování systému GJ 1214 téměř nepřetržitě po dobu téměř 50 hodin, zatímco planeta dokončí o něco více než jeden úplný oběh. Poté budou data analyzovat třemi různými způsoby, aby zúžili možné kombinace plynů a aerosolů, které tvoří atmosféru GJ 1214 b.

transmisní spektroskopie: Pokud jsou molekuly jako voda, metan nebo čpavek hojné, měly by být viditelné v transmisním spektru. Střední infračervené světlo by nemělo být rozptylováno aerosoly stejným způsobem jako viditelné a blízké infračervené světlo.

Tepelný emisní spektrometr: Střední infračervené světlo vyzařované samotnou planetou poskytne informace o teplotě a odrazu planety, přičemž obojí je ovlivněno atmosférou. Například planeta obklopená tmavou, tichou, světlo pohlcující mlhou by byla mnohem teplejší než planeta pokrytá jasnými, reflexními mraky.

Mapování teploty fázové křivky: Ačkoli Webb nebude schopen přímo pozorovat GJ 1214 b (planeta je velmi blízko své hvězdy), je dostatečně citlivý na to, aby změřil velmi malé změny v celkovém množství světla ze systému, když planeta obíhá kolem hvězdy. Výzkumníci použijí fázovou křivku GJ 1214 b, což je graf jasu versus fáze (to znamená, jak velká část denní strany planety je obrácena k dalekohledu), aby zmapovali průměrnou teplotu planety s její zeměpisnou délkou. To poskytne další informace o atmosférické cirkulaci a složení.

Horký sub-Neptun TOI-421 B

Není jasné, z čeho jsou vyrobeny aerosoly obklopující teplé sub-Neptuny, jako je GJ 1214 b, ale mohly by být podobné těm, které tvoří smogový opar nacházející se na SaturnTitanův měsíc. K otestování této hypotézy se vědci rozhodli zaměřit se na TOI-421 b, planetu podobnou velikostí a hustotou jako GJ 1214 b, ale mysleli si, že je příliš horká na to, aby na ní byla hustá mlha.

Webb bude pozorovat TOI-421 b dvakrát, když míjí svou hvězdu, jednou pomocí infračerveného zobrazovacího zařízení a štěrbinového spektrografu (NIRISS) a znovu pomocí blízkého infračerveného spektrometru (NIRSpec), aby vytvořil kompletní infračervené transmisní spektrum z blízkého infračerveného záření. planeta. Pokud je hypotéza správná a obloha TOI-421 b je jasná, pak lze spektrum použít k měření množství molekul, jako je voda, metan a oxid uhličitý. Pokud se ukáže, že TOI-421 b přece jen má problém s aerosolem, tým použije data k lepšímu pochopení složek těchto aerosolů.

Kempton a Bean jsou přesvědčeni, že zkoumáním nepolapitelné subneptunské atmosféry řadou různých způsobů pomocí Webba vědci konečně začnou chápat nejen tyto dva specifické objekty, ale celou třídu planet.

Pozorování MIRI GJ 1214b a NIRISS a NIRSpec TOI-421b budou každé prováděno jako součást Webbova cyklu 1 General Observers Program. Programy obecných pozorovatelů byly vybírány kompetitivně pomocí anonymního systému dvojité kontroly, stejného systému používaného pro přidělování času na HST.

Vesmírný dalekohled Jamese Webba bude po svém spuštění v roce 2021 přední světovou vesmírnou vědeckou observatoří. Webb vyřeší záhady naší sluneční soustavy, podívá se dál na vzdálené světy kolem jiných hvězd a prozkoumá tajemné struktury a původ našeho vesmíru a naše místo v něm. Webb je mezinárodní program vedený NASA a jejími partnery ESA (European Space Agency) a Canadian Space Agency.