Najczęstszymi gwiazdami we wszechświecie są czerwone karły, co oznacza, że skaliste egzoplanety najprawdopodobniej krążą wokół takiej gwiazdy. Czerwone karły są chłodne, więc planeta musi otaczać je na ciasnej orbicie, aby utrzymać ciepło wystarczające do potencjalnego przechowywania wody w stanie ciekłym (co oznacza, że znajduje się w strefie nadającej się do zamieszkania). Takie gwiazdy są również aktywne, zwłaszcza gdy są młode, emitując promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie, które może zniszczyć atmosfery planet. W rezultacie jednym ważnym otwartym pytaniem w astronomii jest to, czy skalista planeta może utrzymać lub przywrócić atmosferę w tak surowym środowisku.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do zbadania skalistej egzoplanety znanej jako GJ 486 b. Jest zbyt blisko swojej gwiazdy, aby znajdować się w strefie nadającej się do zamieszkania, a temperatura powierzchni wynosi około 800 stopni Fahrenheita (430 stopni Celsjusza). A jednak ich obserwacje za pomocą spektrografu bliskiej podczerwieni Webba (NIRSpec) pokazują ślady pary wodnej. Jeśli para wodna jest powiązana z planetą, oznaczałoby to, że ma ona atmosferę pomimo swojej palącej temperatury i bliskiej odległości od swojej gwiazdy. Para wodna była już wcześniej widziana na gazowych egzoplanetach, ale jak dotąd nie wykryto atmosfery wokół skalistej egzoplanety. Zespół ostrzega jednak, że para wodna może znajdować się na samej gwieździe – w szczególności w chłodnych plamach gwiazdowych – a nie w ogóle z planety.
„Widzimy sygnał i prawie na pewno jest to spowodowane wodą. Ale nie możemy jeszcze stwierdzić, czy ta woda jest częścią atmosfery planety, co oznacza, że planeta ma atmosferę, czy też widzimy tylko sygnaturę wody pochodzącą z gwiazda” – powiedziała Sarah Moran z University of Arizona w Tucson, główna autorka badania.
„Para wodna w atmosferze gorącej planety skalistej byłaby wielkim przełomem w nauce o egzoplanetach. Ale musimy być ostrożni i upewnić się, że winowajcą nie jest gwiazda” – dodał Kevin Stevenson z Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Laurel. , Maryland, główny badacz programu.
GJ 486 b jest około 30% większa od Ziemi i trzy razy masywniejsza, co oznacza, że jest skalistym światem o silniejszej grawitacji niż Ziemia. Obiega czerwonego karła w niecałe 1,5 dnia ziemskiego. Oczekuje się, że będzie zablokowany pływowo, ze stałą stroną dzienną i stałą stroną nocną.
GJ 486 b przechodzi przez swoją gwiazdę, przecinając ją z naszego punktu widzenia. Jeśli ma atmosferę, to podczas tranzytu światło gwiazd przefiltruje te gazy, odciskając w świetle odciski palców, które pozwalają astronomom rozszyfrować jego skład za pomocą techniki zwanej spektroskopią transmisyjną.
Zespół zaobserwował dwa tranzyty, z których każdy trwał około godziny. Następnie wykorzystali trzy różne metody do analizy uzyskanych danych. Wyniki wszystkich trzech są spójne, ponieważ pokazują w większości płaskie widmo z intrygującym wzrostem w najkrótszych długościach fal podczerwonych. Zespół przeprowadził modele komputerowe uwzględniające szereg różnych cząsteczek i doszedł do wniosku, że najbardziej prawdopodobnym źródłem sygnału jest para wodna.
Chociaż para wodna może potencjalnie wskazywać na obecność atmosfery na GJ 486 b, równie prawdopodobnym wyjaśnieniem jest para wodna z gwiazdy. Co zaskakujące, nawet w 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 486 b jest znacznie chłodniejsza niż Słońce, więc jeszcze więcej pary wodnej skupiłoby się w jej gwiezdnych plamach. W rezultacie może stworzyć sygnał imitujący atmosferę planety.
„Nie zaobserwowaliśmy dowodów na to, że planeta przecinała jakiekolwiek plamy gwiazdowe podczas tranzytów. Ale to nie znaczy, że nie ma innych plam na gwieździe. I to jest dokładnie fizyczny scenariusz, który odciąłby ten sygnał wody w danych i może wyglądać jak atmosfera planetarna” – wyjaśnił Ryan MacDonald z University of Michigan w Ann Arbor, jeden ze współautorów badania.
Oczekuje się, że atmosfera pary wodnej będzie stopniowo ulegać erozji w wyniku ogrzewania i napromieniowania gwiazd. W rezultacie, jeśli atmosfera jest obecna, prawdopodobnie musiałaby być stale uzupełniana przez wulkany wyrzucające parę z wnętrza planety. Jeśli woda rzeczywiście znajduje się w atmosferze planety, potrzebne są dodatkowe obserwacje, aby zawęzić jej ilość.
Przyszłe obserwacje Webba mogą rzucić więcej światła na ten system. Zbliżający się program Webba będzie wykorzystywał Instrument Mid-Infrared Instrument (MIRI) do obserwacji dziennej strony planety. Jeśli planeta nie ma atmosfery lub jest tylko rzadka, to najgorętsza część dziennej strony powinna znajdować się bezpośrednio pod gwiazdą. Jeśli jednak najgorętszy punkt zostanie przesunięty, będzie to wskazywać na atmosferę, w której może krążyć ciepło.
Ostatecznie, potrzebne będą obserwacje w krótszych falach podczerwonych za pomocą innego instrumentu Webba, Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), aby rozróżnić scenariusze atmosfery planetarnej i plam gwiazdowych.
„Połączenie ze sobą wielu instrumentów naprawdę określi, czy ta planeta ma atmosferę” – powiedział Stevenson.