Statek kosmiczny wielkości pudełka płatków śniadaniowych zebrał dokładne pomiary atmosfer dużych i puszystych planet zwanych „gorącymi Jowiszami”. Odkrycia, kierowane przez zespół z Uniwersytetu Colorado w Boulder, mogą pomóc odkryć, w jaki sposób atmosfery wokół tych i wielu innych światów uciekają w przestrzeń kosmiczną.
Drobny statek kosmiczny, który mierzy zaledwie 14 cali długości, może i jest ładny, ale jego odkrycia naukowe wcale nie są takie proste. Od wystrzelenia we wrześniu 2021 r. CUTE kieruje swój pojedynczy teleskop ultrafioletowy na serię gorących Jowiszów, kilkaset lat świetlnych od Ziemi.
Gorące Jowisze to jedne z najgorętszych i najbardziej gniewnych planet w galaktyce. Jak sama nazwa wskazuje, są to gazowe olbrzymy, takie jak nasz Jowisz. Planety te jednak zbliżają się znacznie bliżej swoich macierzystych gwiazd, okrążając je mniej więcej raz na kilka ziemskich dni. W tym procesie promieniowanie gwiazdowe podgrzewa gorące Jowisze do temperatury tysięcy stopni Fahrenheita, a ich atmosfery puchną do ogromnych rozmiarów, trochę jak chleb wyrastający w piekarniku.
Naukowcy od dawna podejrzewali, że to ciągłe uderzanie promieniowaniem gwiazdowym może pozbawić atmosfery niektórych egzoplanet w ciągu milionów do miliardów lat. Dane z CUTE sugerują, że proces ten może nie być taki prosty.
Zespół CUTE, w skład którego wchodzi kilku studentów studiów licencjackich i magisterskich, zaobserwował jak dotąd siedem gorących Jowiszów, a kolejne są w drodze. Niektóre z nich wydają się tracić atmosferę, ale inne nie.
„Wydaje się, że planety nadchodzą we wszystkich możliwych odcieniach” – powiedział France, profesor nadzwyczajny w Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej (LASP) oraz na Wydziale Nauk Astrofizycznych i Planetarnych.
Dodał, że CUTE pomaga naukowcom w tworzeniu przewodnika terenowego po wielu rodzajach planet istniejących w Galaktyce Drogi Mlecznej – w tym tych, które w niczym nie przypominają bliskich sąsiadów Ziemi.
„Chcemy zrozumieć, jak nasz Układ Słoneczny pasuje do rodziny układów słonecznych we wszechświecie” – powiedziała France. „Oznacza to zrozumienie dużych i małych planet, tych, na których istnieje życie i tych, na których zdecydowanie go nie ma, a także wszystkich ważnych procesów fizycznych zachodzących na tych planetach”.
Robi się tu gorąco
Droga CUTE do sukcesu naukowego nie była łatwa.
Kiedy statek kosmiczny po raz pierwszy wszedł na orbitę wokół Ziemi, France i jego współpracownicy szybko zauważyli, że wydaje się, że występują w nim pewne zakłócenia – normalny problem w przypadku wielu małych satelitów, czyli CubeSatów, które często testują technologię, która nigdy wcześniej nie była wysyłana w przestrzeń kosmiczną. W jednym przypadku przesłona chroniąca teleskop CUTE zatrzaskiwała się, gdy nie powinna.
Zespół, w skład którego wchodziło kilku studentów studiów licencjackich i magisterskich, nie poddawał się. Naukowcy nakazali statkowi kosmicznemu otworzyć migawkę, a następnie rozładowali akumulator, który go zasilał, uniemożliwiając ponowne zamknięcie aparatu.
„CUTE nadal pracuje i zbiera dane” – stwierdziła Francja. „Kiedy otrzymaliśmy pierwsze prawdziwe wyniki naukowe, było to naprawdę ekscytujące”.
CUTE obserwuje odległe planety przelatujące przed swoimi macierzystymi gwiazdami, powodując przy tym przyciemnienie światła ultrafioletowego tych gwiazd. W niektórych przypadkach sonda jest tak precyzyjna, że potrafi wykryć przyciemnienie światła gwiazd zaledwie o 1%.
W artykule opublikowanym we wrześniu naukowcy opisali swoje obserwacje świata zwanego WASP-189b. Planeta ta krąży wokół gwiazdy w konstelacji Wagi, oddalonej od Ziemi o ponad 300 lat świetlnych, czyli tysiące bilionów mil. Według wyników zespołu jest też niesamowicie duszno, a atmosfera osiąga temperaturę około 5 000 stopni Fahrenheita. To o tysiące stopni więcej niż na powierzchni Słońca.
Obserwacje CUTE sugerują również, że gaz ucieka z okolic WASP-189b z podobnie zawrotną szybkością około 400 milionów kilogramów (prawie 900 milionów funtów) na sekundę.
Planety ewoluują
Nie wszystkie planety badane przez CUTE w ciągu pierwszych dwóch lat były tak ekscytujące. W niepublikowanych wynikach zespół zaobserwował drugą planetę o nazwie MASCARA-4b, która nie wydawała się wcale tracić dużo gazu. Inne, jak KELT-9b, znalazły się gdzieś pośrodku.
France i jego współpracownicy mają nadzieję, że ich wyniki pomogą odkryć, dlaczego niektóre planety tracą duże fragmenty swojej atmosfery, podczas gdy inne pozostają w większości niezmienione. Podejrzewa, że ma to związek z kombinacją samych planet (większe planety generują silniejsze przyciąganie grawitacyjne) i dynamiki ich gwiazd (bardziej aktywne gwiazdy prawdopodobnie sieją większe spustoszenie na planetach niż gwiazdy spokojne).
Te same procesy z biegiem czasu potencjalnie kształtują planety, zarówno w Układzie Słonecznym, jak i poza nim. Naukowcy na przykład teoretyzują, że na Marsie znajdowała się kiedyś znacznie gęstsza atmosfera, ale Słońce zniszczyło ją w ciągu miliardów lat.
Ucieczka atmosferyczna może również wyjaśniać pochodzenie klasy planet znanych jako „super Ziemie”, które są nieco większe od naszego świata.
„Istnieje wiele dowodów sugerujących, że superziemie zaczęły się jako planety wielkości Neptuna z dużymi, puszystymi atmosferami, które następnie tracą tak dużo masy, że jedyne, co pozostaje, to skaliste jądro i prawdopodobnie rzadka atmosfera” – stwierdziła France.
Stwierdził, że największym dziedzictwem projektu CUTE może być jego wpływ na studentów. Niewielki zespół misji, składający się z około 20 osób, był zaangażowany w niemal każdy aspekt życia statku kosmicznego – od budowy satelity po jego wystrzelenie, wysyłanie poleceń, a następnie pobieranie i analizowanie danych naukowych. CUTE krąży obecnie na orbicie około 525 kilometrów nad powierzchnią Ziemi i oczekuje się, że ponownie wejdzie w atmosferę do 2027 roku.
„Wszystkie te rzeczy dzieją się podczas dużych misji NASA, tylko na znacznie większą skalę” – stwierdziła France. „Nasi studenci i naukowcy rozpoczynający karierę zawodową zdobywają pełne doświadczenie od etapu propozycji aż do uzyskania produktu naukowego”.
Obserwacje to pierwsze wyniki uzyskane z ciężko pracującego statku kosmicznego NASA znanego jako Colorado Ultraviolet Transit Experiment (CUTE). Kevin France, główny badacz misji, przedstawił wyniki grupy w obecności mediów 11 grudnia podczas spotkania Amerykańskiej Unii Geofizycznej w San Francisco w 2023 roku.