Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do pomiaru temperatury skalistej egzoplanety TRAPPIST-1b. Pomiar opiera się na emisji termicznej planety: energii cieplnej emitowanej w postaci światła podczerwonego wykrywanego przez instrument Webba Mid-Infrared Instrument (MIRI). Wynik wskazuje, że dzienna strona planety ma temperaturę około 500 kelwinów (około 450 stopni Fahrenheita) i sugeruje, że nie ma ona znaczącej atmosfery.
Jest to pierwsze wykrycie jakiejkolwiek formy światła emitowanego przez egzoplanetę tak małą i tak chłodną jak planety skaliste w naszym Układzie Słonecznym. Wynik stanowi ważny krok w określeniu, czy planety krążące wokół małych aktywnych gwiazd, takich jak TRAPPIST-1, mogą utrzymać atmosferę potrzebną do podtrzymania życia. To również dobrze wróży zdolności Webba do charakteryzowania umiarkowanych egzoplanet wielkości Ziemi za pomocą MIRI.
„Te obserwacje naprawdę wykorzystują możliwości Webba w zakresie średniej podczerwieni” – powiedział Thomas Greene, astrofizyk z NASA Ames Research Center i główny autor badania opublikowanego dzisiaj w czasopiśmie Nature. „Żadne poprzednie teleskopy nie miały czułości do pomiaru tak słabego światła w średniej podczerwieni”.
Skaliste planety krążące wokół ultrafajnych czerwonych karłów
Na początku 2017 roku astronomowie poinformowali o odkryciu siedmiu planet skalistych krążących wokół ultrachłodnego czerwonego karła (lub karła M) oddalonego o 40 lat świetlnych od Ziemi. To, co jest niezwykłe w planetach, to ich podobieństwo pod względem wielkości i masy do wewnętrznych, skalistych planet naszego Układu Słonecznego. Chociaż wszystkie krążą znacznie bliżej swojej gwiazdy niż jakakolwiek z naszych planet krążących wokół Słońca – wszystkie mogłyby wygodnie zmieścić się na orbicie Merkurego – otrzymują porównywalne ilości energii ze swojej maleńkiej gwiazdy.
TRAPPIST-1 b, najbardziej wewnętrzna planeta, ma odległość orbity około jednej setnej odległości Ziemi i otrzymuje około cztery razy więcej energii niż Ziemia otrzymuje od Słońca. Chociaż nie znajduje się ona w ekosferze systemu, obserwacje planety mogą dostarczyć ważnych informacji na temat jej siostrzanych planet, a także innych systemów M-karłów.
„W Drodze Mlecznej jest dziesięć razy więcej takich gwiazd niż gwiazd podobnych do Słońca, a prawdopodobieństwo posiadania skalistych planet jest dwa razy większe niż gwiazd podobnych do Słońca” — wyjaśnił Greene. „Ale są również bardzo aktywne – są bardzo jasne, gdy są młode, i wydzielają rozbłyski i promienie rentgenowskie, które mogą zniszczyć atmosferę”.
Współautorka Elsa Ducrot z Francuskiej Komisji Energii Alternatywnych i Energii Atomowej (CEA) we Francji, która była w zespole prowadzącym wcześniejsze badania systemu TRAPPIST-1, dodała: „Łatwiej jest scharakteryzować planety typu ziemskiego wokół mniejszych, chłodniejszych gwiazd” Jeśli chcemy zrozumieć zamieszkiwalność wokół gwiazd typu M, układ TRAPPIST-1 jest wspaniałym laboratorium. To najlepsze cele, jakie mamy do badania atmosfer planet skalistych”.
Wykrywanie atmosfery (lub nie)
Poprzednie obserwacje TRAPPIST-1 b za pomocą teleskopów kosmicznych Hubble’a i Spitzera nie znalazły dowodów na obecność puszystej atmosfery, ale nie były w stanie wykluczyć obecności gęstej.
Jednym ze sposobów zmniejszenia niepewności jest pomiar temperatury planety. „Ta planeta jest zablokowana pływowo, z jedną stroną przez cały czas zwróconą w stronę gwiazdy, a drugą w ciągłej ciemności” – powiedział Pierre-Olivier Lagage z CEA, współautor artykułu. „Jeśli ma atmosferę do cyrkulacji i redystrybucji ciepła, strona dzienna będzie chłodniejsza niż wtedy, gdy nie ma atmosfery”.
Zespół wykorzystał technikę zwaną fotometrią zaćmienia wtórnego, w której MIRI mierzył zmianę jasności układu, gdy planeta poruszała się za gwiazdą. Chociaż TRAPPIST-1 b nie jest wystarczająco gorący, aby emitować własne światło widzialne, to jednak świeci w podczerwieni. Odejmując jasność samej gwiazdy (podczas zaćmienia wtórnego) od łącznej jasności gwiazdy i planety, byli w stanie z powodzeniem obliczyć, ile promieniowania podczerwonego emituje planeta.
Pomiar drobnych zmian jasności
Wykrycie wtórnego zaćmienia przez Webba samo w sobie jest kamieniem milowym. W przypadku gwiazdy ponad 1000 razy jaśniejszej od planety zmiana jasności jest mniejsza niż 0,1%.
„Były też pewne obawy, że przegapimy zaćmienie. Wszystkie planety przyciągają się nawzajem, więc orbity nie są idealne” – powiedział Taylor Bell, badacz ze stopniem doktora w Bay Area Environmental Research Institute, który analizował dane . „Ale to było po prostu niesamowite: czas zaćmienia, który widzieliśmy w danych, odpowiadał przewidywanemu czasowi w ciągu kilku minut”.
Zespół przeanalizował dane z pięciu oddzielnych obserwacji wtórnych zaćmień. „Porównaliśmy wyniki z modelami komputerowymi pokazującymi, jaka powinna być temperatura w różnych scenariuszach” – wyjaśnił Ducrot. „Wyniki są prawie idealnie zgodne z ciałem doskonale czarnym zbudowanym z nagiej skały i bez atmosfery do cyrkulacji ciepła. Nie zauważyliśmy również żadnych oznak pochłaniania światła przez dwutlenek węgla, co byłoby widoczne w tych pomiarach”.
Badania te przeprowadzono w ramach programu Webb Guaranteed Time Observation (GTO) 1177, który jest jednym z ośmiu programów z pierwszego roku nauki Webba, zaprojektowanych, aby pomóc w pełni scharakteryzować system TRAPPIST-1. Obecnie trwają dodatkowe obserwacje wtórnego zaćmienia TRAPPIST-1 b, a teraz, gdy wiedzą już, jak dobre mogą być dane, zespół ma nadzieję ostatecznie uchwycić pełną krzywą fazową pokazującą zmianę jasności na całej orbicie. To pozwoli im zobaczyć, jak zmienia się temperatura od dnia do nocy i potwierdzić, czy planeta ma atmosferę, czy nie.
„Był jeden cel, o którym marzyłem”, powiedział Lagage, który pracował nad rozwojem instrumentu MIRI przez ponad dwie dekady. „I to była ta. Po raz pierwszy możemy wykryć emisję ze skalistej planety o klimacie umiarkowanym. To naprawdę ważny krok w historii odkrywania egzoplanet”.