Ο Γουέμπ βρίσκει για πρώτη φορά ατμόσφαιρα σε βραχώδη εξωπλανήτη

Το αέριο που αναδύεται από μια επιφάνεια καλυμμένη με λάβα στο 55 Cancri e μπορεί να τροφοδοτήσει μια ατμόσφαιρα πλούσια σε διοξείδιο του άνθρακα ή μονοξείδιο του άνθρακα.

Αυτές τις μέρες, η ανίχνευση της ατμόσφαιρας ενός πλανήτη σε απόσταση δεκάδων ή και εκατοντάδων ετών φωτός από τη Γη μπορεί να μην φαίνεται τόσο μεγάλη υπόθεση. Οι επιστήμονες έχουν βρει στοιχεία για ατμόσφαιρες που περιβάλλουν δεκάδες εξωπλανήτες τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Το πρόβλημα είναι ότι όλοι αυτοί οι πλανήτες έχουν παχιές, κυριαρχούμενες από υδρογόνο ατμόσφαιρες που είναι σχετικά εύκολο να μελετηθούν. Οι λεπτές κουβέρτες αερίου που περιβάλλουν μερικούς μικρούς, βραχώδεις εξωπλανήτες έχουν παραμείνει άπιαστες.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορεί τελικά να έχουν πάρει μια γεύση από την πλούσια, ασταθή ατμόσφαιρα που περιβάλλει έναν βραχώδη πλανήτη. Το φως που εκπέμπεται από τις θερμές περιοχές είναι πολύ ακτινοβολημένο Εξωπλανήτης 55 Το Cancri e δείχνει συναρπαστικά στοιχεία για μια ατμόσφαιρα, πιθανώς πλούσια σε διοξείδιο του άνθρακα ή μονοξείδιο του άνθρακα, που θα έρεε από έναν τεράστιο ωκεανό λάβας που κάλυπτε την επιφάνεια του πλανήτη.

Το αποτέλεσμα είναι η καλύτερη απόδειξη για την ύπαρξη μιας ατμόσφαιρας για έναν βραχώδη πλανήτη έξω από το ηλιακό μας σύστημα.

Η ιδέα αυτού του καλλιτέχνη δείχνει πώς θα μπορούσε να μοιάζει ο εξωπλανήτης 55 Cancri e. Ονομάζεται επίσης Janssen, το 55 Cancri e είναι μια λεγόμενη υπερ-Γη, ένας βραχώδης πλανήτης πολύ μεγαλύτερος από τη Γη αλλά μικρότερος από τον Ποσειδώνα, ο οποίος περιφέρεται γύρω από το αστέρι του σε απόσταση μόλις 1,4 εκατομμυρίων μιλίων (0,015 AU), ολοκληρώνοντας μια πλήρη τροχιά. Σε λιγότερο από 18 ώρες. (Ο Ερμής είναι 25 φορές πιο μακριά από τον Ήλιο από το άστρο του, 55 Cancri e). Αυτό το σύστημα, το οποίο περιλαμβάνει επίσης τέσσερις μεγάλους αέριους γίγαντες πλανήτες, βρίσκεται περίπου 41 έτη φωτός από τη Γη, στον αστερισμό του Καρκίνου. Πίστωση εικόνας: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Webb υπαινίσσεται μια πιθανή ατμόσφαιρα που περιβάλλει έναν βραχώδη εξωπλανήτη

Οι ερευνητές χρησιμοποιούν NASA‘μικρό Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Μπορεί να έχουν ανιχνεύσει ατμοσφαιρικά αέρια που περιβάλλουν τον 55 Cancri e, έναν καυτό, βραχώδη εξωπλανήτη που βρίσκεται 41 έτη φωτός από τη Γη. Αυτή είναι η καλύτερη απόδειξη ακόμη ότι οποιοσδήποτε βραχώδης πλανήτης εκτός του ηλιακού μας συστήματος έχει ατμόσφαιρα.

Το Renew προέρχεται από το Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA (Εργαστήριο Jet Propulsion) στην Πασαντένα της Καλιφόρνια, είναι ο κύριος συγγραφέας μιας εργασίας που δημοσιεύτηκε στις 8 Μαΐου φύση. «Ο Webb ωθεί τα όρια χαρακτηριστικών εξωπλανητών σε βραχώδεις πλανήτες», είπε ο Hu. «Πραγματικά επιτρέπει ένα νέο είδος επιστήμης».

Super-Hot Earth 55 Cancri E

55 Cancri e, επίσης γνωστός ως Janssen, είναι ένας από τους πέντε γνωστούς πλανήτες που περιφέρονται γύρω από το αστέρι 55 Cancri που μοιάζει με τον Ήλιο, στον αστερισμό του Καρκίνου. Με διάμετρο σχεδόν διπλάσια από τη Γη και ελαφρώς μεγαλύτερη πυκνότητα, ο πλανήτης ταξινομείται ως υπερ-Γη: μεγαλύτερος από τη Γη και μικρότερος από τη Γη. ΠοσειδώναςΕίναι πιθανό να είναι παρόμοια σε σύνθεση με τους βραχώδεις πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος.

Ωστόσο, η περιγραφή του 55 Cancri e ως «βραχώδης» μπορεί να αφήσει λανθασμένη εντύπωση. Ο πλανήτης περιφέρεται κοντά στο άστρο του (περίπου 1,4 εκατομμύρια μίλια, ή 20/25 της απόστασης μεταξύ του Ερμή και του Ήλιου), και η επιφάνειά του είναι πιθανώς λιωμένη – ένας ωκεανός από μάγμα που αναβλύζει. Με μια τόσο σφιχτή τροχιά, ο πλανήτης είναι επίσης πιθανόν παλιρροιακά κλειδωμένος, με την πλευρά της ημέρας στραμμένη προς το αστέρι ανά πάσα στιγμή και τη νυχτερινή πλευρά του σε αέναο σκοτάδι.

Παρά τις πολυάριθμες παρατηρήσεις από τότε που ανακαλύφθηκε η διέλευση του το 2011, το ερώτημα εάν το 55 Cancri e έχει ή όχι ατμόσφαιρα — ή ακόμη θα μπορούσε Ένα από αυτά έχει μείνει αναπάντητο λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του και της συνεχούς επίθεσης της αστρικής ακτινοβολίας και των ανέμων από το άστρο του.

«Δουλεύω σε αυτόν τον πλανήτη για περισσότερο από μια δεκαετία», δήλωσε η Νταϊάνα Ντράγκομιρ, ερευνήτρια εξωπλανητών στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Ήταν πραγματικά απογοητευτικό που κανένα από τα σχόλια που λάβαμε δεν έδωσε μια σταθερή λύση σε αυτά τα μυστήρια, χαίρομαι που επιτέλους έχουμε κάποιες απαντήσεις!»

Σε αντίθεση με τις ατμόσφαιρες των αέριων γιγάντων πλανητών, που είναι σχετικά εύκολο να εντοπιστούν ( Αποκαλύφθηκε για πρώτη φορά Από τη NASA Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble Για περισσότερες από δύο δεκαετίες), οι πιο λεπτές, πυκνότερες ατμόσφαιρες που περιβάλλουν βραχώδεις πλανήτες παρέμειναν άπιαστες.

Προηγούμενες μελέτες για το 55 Cancri e χρησιμοποιώντας δεδομένα από το πλέον αποσυρθέν διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer της NASA έχουν προτείνει την παρουσία μιας μεγάλης ατμόσφαιρας πλούσιας σε πτητικά (μόρια που υπάρχουν σε μορφή αερίου στη Γη) όπως οξυγόνο, άζωτο και διοξείδιο του άνθρακα. Αλλά οι ερευνητές δεν μπόρεσαν να αποκλείσουν μια άλλη πιθανότητα: ότι ο πλανήτης είναι άδειος, εκτός από μια εύθραυστη κουβέρτα εξατμισμένου βράχου, πλούσια σε στοιχεία όπως πυρίτιο, σίδηρος, αλουμίνιο και ασβέστιο. «Ο πλανήτης είναι τόσο ζεστός που μέρος του λιωμένου βράχου πρέπει να έχει εξατμιστεί», εξήγησε ο Χο.

Αυτή η καμπύλη φωτός δείχνει την αλλαγή στη φωτεινότητα του συστήματος 55 Cancri, καθώς ο βραχώδης πλανήτης 55 Cancri e, ο πλησιέστερος από τους πέντε γνωστούς πλανήτες του συστήματος, κινείται πίσω από το αστέρι. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως δευτερεύουσα έκλειψη.
Όταν ο πλανήτης είναι κοντά στο αστέρι, το μεσαίο υπέρυθρο φως τόσο από το αστέρι όσο και από την πλευρά του πλανήτη φτάνει στο τηλεσκόπιο, κάνοντας το σύστημα να φαίνεται πιο φωτεινό. Όταν ο πλανήτης βρίσκεται πίσω από το αστέρι, το φως από τον πλανήτη μπλοκάρεται και μόνο το φως του άστρου φτάνει στο τηλεσκόπιο, με αποτέλεσμα τη μείωση της φαινομενικής φωτεινότητας.
Οι αστρονόμοι μπορούν να αφαιρέσουν τη φωτεινότητα ενός άστρου από τη συνδυασμένη φωτεινότητα του άστρου και του πλανήτη για να υπολογίσουν πόσο υπέρυθρο φως προέρχεται από την ημέρα του πλανήτη. Αυτό χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και για να εξαχθεί εάν ο πλανήτης έχει ατμόσφαιρα ή όχι.
Πίστωση εικόνας: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Μετρήστε τις λεπτές διαφορές στα υπέρυθρα χρώματα

Για να διακρίνει μεταξύ των δύο δυνατοτήτων, η ομάδα χρησιμοποίησε το NIRCam του Webb (κάμερα κοντά στο υπέρυθρο) και το MIRI (όργανο μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας) για να μετρήσει το υπέρυθρο φως 4 έως 12 μικρών που προέρχεται από τον πλανήτη.

Αν και ο Webb δεν μπορεί να τραβήξει απευθείας εικόνα του 55 Cancri e, μπορεί να μετρήσει ανεπαίσθητες αλλαγές στο φως από το σύστημα καθώς ο πλανήτης περιφέρεται γύρω από το αστέρι.

Αφαιρώντας τη φωτεινότητα κατά τη διάρκεια μιας δευτερεύουσας έκλειψης (δείτε την παραπάνω εικόνα), όταν ο πλανήτης βρίσκεται πίσω από το αστέρι (μόνο το φως του αστεριού), από τη φωτεινότητα όταν ο πλανήτης είναι ακριβώς δίπλα στο αστέρι (φως από το αστέρι και τον πλανήτη μαζί), η ομάδα ήταν σε θέση να υπολογίσει την ποσότητα των διαφορετικών μηκών κύματος των ακτίνων Υπέρυθρο φως που προέρχεται από την πλευρά της ημέρας του πλανήτη.

Αυτή η μέθοδος, γνωστή ως δευτερογενής φασματοσκοπία έκλειψης, είναι παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιούν άλλες ερευνητικές ομάδες για την αναζήτηση ατμοσφαιρών σε άλλους βραχώδεις εξωπλανήτες, όπως το TRAPPIST-1 b.

Το φάσμα θερμικής εκπομπής που καταγράφηκε από το Webb NIRCam (Κοντά στην Υπέρυθρη Κάμερα) τον Νοέμβριο του 2022 και το MIRI (Μέσο Υπέρυθρο Όργανο) τον Μάρτιο του 2023, δείχνει τη φωτεινότητα (άξονας y) διαφορετικών μηκών κύματος υπέρυθρου φωτός (άξονας x ) που εκπέμπεται. Από τον γιγάντιο εξωπλανήτη 55 Cancri e. Το φάσμα δείχνει ότι ο πλανήτης μπορεί να περιβάλλεται από μια ατμόσφαιρα πλούσια σε διοξείδιο του άνθρακα ή μονοξείδιο του άνθρακα και άλλες πτητικές ουσίες, όχι μόνο από εξατμισμένο βράχο.
Το γράφημα συγκρίνει τα δεδομένα που συλλέγονται από το NIRCam (πορτοκαλί κουκκίδες) και το MIRI (μωβ κουκκίδες) με δύο διαφορετικά μοντέλα. Το μοντέλο Α, με κόκκινο χρώμα, δείχνει πώς θα έπρεπε να μοιάζει το φάσμα εκπομπών του 55 Cancri e αν είχε μια ατμόσφαιρα από βράχο που εξατμίζεται. Το μοντέλο Β, με μπλε χρώμα, δείχνει πώς θα έπρεπε να μοιάζει το φάσμα εκπομπών εάν ο πλανήτης είχε μια ατμόσφαιρα πλούσια σε πτητικές ουσίες που εκπέμπεται από έναν ωκεανό μάγμα που έχει πτητικό περιεχόμενο παρόμοιο με τον μανδύα της Γης. Τα δεδομένα MIRI και NIRCam είναι συνεπή με το μοντέλο πλούσιο σε πτητικές ποσότητες.
Η ποσότητα του μεσαίου υπέρυθρου φωτός που εκπέμπεται από τον πλανήτη (MIRI) δείχνει ότι η θερμοκρασία της ημέρας είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι θα ήταν αν δεν είχε ατμόσφαιρα για τη διανομή της θερμότητας από την πλευρά της ημέρας στη νύχτα. Η βύθιση στο φάσμα μεταξύ 4 και 5 μικρών (δεδομένα NIRCam) μπορεί να εξηγηθεί από την απορρόφηση αυτών των μηκών κύματος από μόρια μονοξειδίου του άνθρακα ή διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
Πιστώσεις εικόνας: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Πανεπιστήμιο του Σικάγο), Mantas Zilinskas (SRON)

Πιο κρύο από το αναμενόμενο

Η πρώτη ένδειξη ότι το 55 Cancri e θα μπορούσε να έχει σημαντική ατμόσφαιρα προήλθε από μετρήσεις θερμοκρασίας με βάση τη θερμική του εκπομπή (βλ. εικόνα παραπάνω) ή τη θερμική ενέργεια που εκπέμπεται με τη μορφή υπέρυθρου φωτός. Εάν ο πλανήτης ήταν καλυμμένος με σκοτεινό, λιωμένο βράχο με ένα λεπτό πέπλο εξατμισμένου βράχου ή καθόλου ατμόσφαιρα, η ημέρα θα πρέπει να είναι περίπου 4.000 μοίρες φά (~2200 μοίρες Κελσίου).

«Αντίθετα, τα δεδομένα MIRI έδειξαν μια σχετικά χαμηλή θερμοκρασία περίπου 2.800 βαθμών Φαρενάιτ [~1540 degrees Celsius]Αυτός είπε. «Αυτή είναι μια πολύ ισχυρή ένδειξη ότι η ενέργεια διανέμεται από την πλευρά της ημέρας στη νύχτα, πιθανότατα μέσω μιας ασταθούς, πλούσιας ατμόσφαιρας». Ενώ οι ροές λάβας μπορούν να μεταφέρουν λίγη θερμότητα στη νυχτερινή πλευρά, δεν μπορούν να τη μετακινήσουν αρκετά αποτελεσματικά για να εξηγήσουν το φαινόμενο ψύξης.

Όταν η ομάδα εξέτασε τα δεδομένα του NIRCam, είδε μοτίβα που συνάδουν με μια πλούσια, ασταθή ατμόσφαιρα.

«Βλέπουμε στοιχεία μιας βουτιάς στο φάσμα μεταξύ 4 και 5 μικρών, και λιγότερο από αυτό το φως φτάνει στο τηλεσκόπιο», εξήγησε ο συν-συγγραφέας Aaron Bello-Aroff, επίσης από τη NASA JPL. “Αυτό δείχνει την παρουσία μιας ατμόσφαιρας που περιέχει μονοξείδιο του άνθρακα ή διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο απορροφά αυτά τα μήκη κύματος φωτός.” Ένας πλανήτης που δεν έχει ατμόσφαιρα ή μια ατμόσφαιρα που αποτελείται μόνο από εξατμισμένο βράχο δεν θα είχε αυτό το συγκεκριμένο φασματικό χαρακτηριστικό.

«Ξοδέψαμε τα τελευταία 10 χρόνια διαμορφώνοντας διαφορετικά σενάρια, προσπαθώντας να φανταστούμε πώς μπορεί να μοιάζει αυτός ο κόσμος», δήλωσε η συν-συγγραφέας Yamila Miguel από το Παρατηρητήριο του Leiden και το Ολλανδικό Ινστιτούτο Διαστημικής Έρευνας (SRON). “Επιτέλους, να λάβουμε κάποια επικύρωση για το ανεκτίμητο έργο μας!”

Ωκεανός μάγμα που αναβοσβήνει

Η ομάδα πιστεύει ότι τα αέρια που καλύπτουν το 55 Cancri e θα αναδυθούν από μέσα, αντί να υπάρχουν από τότε που σχηματίστηκε ο πλανήτης. «Η ατμόσφαιρα του πυρήνα θα είχε εξαφανιστεί εδώ και πολύ καιρό λόγω της υψηλής θερμοκρασίας και της έντονης ακτινοβολίας από το αστέρι», είπε ο Bello-Arov. «Αυτή θα είναι μια δευτερεύουσα ατμόσφαιρα που αναπληρώνεται συνεχώς από τον ωκεανό μάγμα, δεν είναι μόνο υγροί κρύσταλλοι και πέτρες.

Ενώ το 55 Cancri e είναι πολύ ζεστό για να είναι κατοικήσιμο, οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα μπορούσε να προσφέρει ένα μοναδικό παράθυρο για τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της ατμόσφαιρας, των επιφανειών και του εσωτερικού των βραχωδών πλανητών και ίσως προσφέρει μια εικόνα για τις πρώτες συνθήκες της Γης. ΑφροδίτηΚαι ΆρηςΤο οποίο πιστεύεται ότι καλύφθηκε από ωκεανούς μάγματος στο μακρινό παρελθόν. «Τελικά, θέλουμε να καταλάβουμε ποιες συνθήκες καθιστούν δυνατό για έναν βραχώδη πλανήτη να διατηρεί μια ατμόσφαιρα πλούσια σε αέρια: ένα απαραίτητο συστατικό για έναν κατοικήσιμο πλανήτη», είπε ο Χου.

Αυτή η έρευνα διεξήχθη ως μέρος του Προγράμματος Webb General Observers (GO) για το 1952. Πρόσθετες δευτερεύουσες παρατηρήσεις έκλειψης 55 Cancri e επί του παρόντος αναλύονται.

Αναφορά: «A secondary atmosfer on the rocky exoplanet 55 Cancri e» των Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Αποόρβα Β. Όζα, Χέδερ Α. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker και Bryce Olivier Demauri, 8 Μαΐου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb είναι το κορυφαίο παρατηρητήριο διαστημικής επιστήμης στον κόσμο. Ο Webb λύνει τα μυστήρια του ηλιακού μας συστήματος, κοιτάζει πέρα ​​από τους μακρινούς κόσμους γύρω από άλλα αστέρια και εξερευνά τις μυστηριώδεις δομές και την προέλευση του σύμπαντός μας και τη θέση μας σε αυτό. Το WEB είναι ένα διεθνές πρόγραμμα με επικεφαλής τη NASA με τους εταίρους της τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA).Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος) και την Καναδική Διαστημική Υπηρεσία.