Niedawne pomiary wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) podają w wątpliwość obecne zrozumienie natury egzoplanety Trappist-1 b. Do tej pory zakładano, że jest to ciemna skalista planeta pozbawiona atmosfery, ukształtowana w wyniku trwającego miliardy lat kosmicznego oddziaływania promieniowania i meteorytów. Wydaje się, że jest odwrotnie. Powierzchnia nie wykazuje żadnych oznak wietrzenia, które mogłyby wskazywać na aktywność geologiczną, taką jak wulkanizm i tektonika płyt. Alternatywnie możliwa jest również planeta z mglistą atmosferą złożoną z dwutlenku węgla. Wyniki pokazują wyzwania związane z określeniem właściwości egzoplanet z cienką atmosferą.
Trappist-1 b to jedna z siedmiu planet skalistych krążących wokół gwiazdy Trappist-1, znajdującej się 40 lat świetlnych od nas. Układ planetarny jest wyjątkowy, ponieważ pozwala astronomom badać siedem planet podobnych do Ziemi ze stosunkowo bliskiej odległości, z czego trzy znajdują się w tzw. strefie zamieszkiwalnej. Jest to obszar układu planetarnego, w którym na powierzchni planety może znajdować się woda w stanie ciekłym. Do chwili obecnej dziesięć programów badawczych skupiało się na tym systemie za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) przez 290 godzin.
Obecne badania, w które znacząco zaangażowani są naukowcy z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu, prowadziła Elsa Ducrot z Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) w Paryżu we Francji. W badaniu tym wykorzystano pomiary termicznego promieniowania podczerwonego – zasadniczo promieniowania cieplnego – planety Trappist-1 b za pomocą MIRI (Mid-Infrared Imager) w JWST i opublikowano je w czasopiśmie Nature Astronomy. Zawiera wyniki z zeszłego roku, na których oparto poprzednie wnioski, które opisują Trappist-1 b jako ciemną skalistą planetę pozbawioną atmosfery.
Skorupa Trappist-1b może być aktywna geologicznie
„Jednak koncepcja skalistej planety o silnie zwietrzałej powierzchni pozbawionej atmosfery jest niezgodna z obecnymi pomiarami” – mówi astronom MPIA Jeroen Bouwman, który był współodpowiedzialny za program obserwacji. „Dlatego uważamy, że planeta jest pokryta stosunkowo niezmienionym materiałem”. Zwykle powierzchnia jest zwietrzała pod wpływem promieniowania gwiazdy centralnej i uderzeń meteorytów. Wyniki sugerują jednak, że skała na powierzchni ma co najwyżej około 1000 lat, czyli znacznie mniej niż sama planeta, której wiek szacuje się na kilka miliardów lat.
Może to wskazywać, że skorupa planety podlega dramatycznym zmianom, które można wytłumaczyć ekstremalnym wulkanizmem lub tektoniką płyt. Nawet jeśli taki scenariusz jest obecnie nadal hipotetyczny, jest jednak prawdopodobny. Planeta jest na tyle duża, że w jej wnętrzu mogło zatrzymać ciepło resztkowe powstałe podczas jej powstawania – tak jak w przypadku Ziemi. Efekt pływowy gwiazdy centralnej i innych planet może również zdeformować Trappist-1 b, w wyniku czego powstałe tarcie wewnętrzne generuje ciepło – podobnie do tego, co widzimy na księżycu Jowisza Io. Ponadto możliwe byłoby nagrzewanie indukcyjne przez pole magnetyczne pobliskiej gwiazdy.
Czy Trappist-1 b mógłby jednak mieć atmosferę?
„Dane pozwalają również na zupełnie inne rozwiązanie” – mówi Thomas Henning, emerytowany dyrektor MPIA. Był jednym z głównych architektów instrumentu MIRI. „Wbrew wcześniejszym pomysłom istnieją warunki, w których planeta może mieć gęstą atmosferę bogatą w dwutlenek węgla (CO2)” – dodaje. Kluczową rolę w tym scenariuszu odgrywa zamglenie związków węglowodorowych, czyli smog, w górnych warstwach atmosfery.
Obydwa programy obserwacyjne, które uzupełniają się w bieżącym badaniu, miały na celu pomiar jasności Trappist-1b przy różnych długościach fal w zakresie termicznej podczerwieni (12,8 i 15 mikrometrów). Pierwsza obserwacja dotyczyła absorpcji promieniowania podczerwonego planety przez warstwę CO2. Nie zmierzono jednak żadnego pociemnienia, co doprowadziło badaczy do wniosku, że planeta nie ma atmosfery.
Zespół badawczy przeprowadził obliczenia modelowe, które pokazują, że zamglenie może odwrócić stratyfikację temperaturową atmosfery bogatej w CO2. Zwykle dolne warstwy przyziemne są cieplejsze niż górne ze względu na wyższe ciśnienie. W miarę jak mgła pochłania światło gwiazd i ogrzewa się, zamiast tego podgrzewa górne warstwy atmosfery, czemu sprzyja efekt cieplarniany. W rezultacie znajdujący się tam dwutlenek węgla sam emituje promieniowanie podczerwone.
Widzimy, że coś podobnego dzieje się na Tytanie, księżycu Saturna. Jej warstwa zamglenia tworzy się tam najprawdopodobniej pod wpływem słonecznego promieniowania ultrafioletowego (UV) pochodzącego z gazów bogatych w węgiel w atmosferze. Podobny proces może zachodzić na Trappist-1 b, ponieważ jego gwiazda emituje znaczne promieniowanie UV.
To skomplikowane.
Nawet jeśli dane pasują do tego scenariusza, astronomowie nadal uważają go za mniej prawdopodobny w porównaniu. Z jednej strony trudniejsze, choć nie niemożliwe, jest wytworzenie związków węglowodorowych tworzących mgłę z atmosfery bogatej w CO2. Atmosfera Tytana składa się jednak głównie z metanu. Z drugiej strony problemem pozostaje to, że aktywne czerwone karły, do których zalicza się Trappist-1, wytwarzają promieniowanie i wiatry, które w ciągu miliardów lat z łatwością mogą zniszczyć atmosfery pobliskich planet.
Trappist-1 b jest żywym przykładem tego, jak trudno jest obecnie wykryć i określić atmosfery planet skalistych – nawet dla JWST. Są cienkie w porównaniu do planet gazowych i wytwarzają jedynie słabe, mierzalne sygnatury. Dwie obserwacje w celu zbadania Trappist-1 b, które dostarczyły wartości jasności przy dwóch długościach fal, trwały prawie 48 godzin, co nie wystarczyło, aby ponad wszelką wątpliwość ustalić, czy planeta posiada atmosferę.
Zaćmienia i zakrycia jako narzędzie
W obserwacjach wykorzystano niewielkie nachylenie płaszczyzny planety w stosunku do naszej linii wzroku do Trappist-1. Taka orientacja powoduje, że siedem planet przechodzi przed gwiazdą i nieznacznie ją przyćmiewa podczas każdego orbitowania. W rezultacie skutkuje to poznawaniem natury i atmosfer planet na kilka sposobów.
Tak zwana spektroskopia tranzytowa okazała się niezawodną metodą. Polega to na pomiarze przyciemnienia gwiazdy przez jej planetę, w zależności od długości fali. Oprócz zakrycia przez nieprzezroczyste ciało planetarne, na podstawie którego astronomowie określają wielkość planety, gazy atmosferyczne absorbują światło gwiazd o określonych długościach fal. Na tej podstawie mogą wywnioskować, czy planeta ma atmosferę i z czego się składa. Niestety metoda ta ma wady, zwłaszcza w przypadku układów planetarnych takich jak Trappist-1. Chłodne czerwone karły często wykazują duże plamy gwiazdowe i silne erupcje, co znacząco wpływa na pomiar.
Astronomowie w dużej mierze omijają ten problem, obserwując zamiast tego stronę egzoplanety ogrzewanej przez gwiazdę w termicznym świetle podczerwonym, jak w bieżącym badaniu za pomocą Trappist-1 b. Jasną stronę dzienną można szczególnie łatwo dostrzec tuż przed i po zniknięciu planety za gwiazdą. Promieniowanie podczerwone emitowane przez planetę zawiera informacje o jej powierzchni i atmosferze. Jednak takie obserwacje są bardziej czasochłonne niż spektroskopia tranzytowa.
Biorąc pod uwagę potencjał tak zwanych pomiarów zaćmień wtórnych, NASA zatwierdziła niedawno szeroko zakrojony program obserwacyjny mający na celu badanie atmosfer planet skalistych wokół pobliskich gwiazd o małej masie. Ten niezwykły program „Rocky Worlds” obejmuje 500 godzin obserwacji z JWST.
Pewność co do trapisty-1 b
Zespół badawczy spodziewa się, że ostateczne potwierdzenie uda się uzyskać za pomocą innego wariantu obserwacji. Rejestruje pełny orbitę planety wokół gwiazdy, w tym wszystkie fazy oświetlenia od ciemnej strony nocnej, podczas przejścia przed gwiazdą do jasnej strony dziennej, na krótko przed i po zasłonięciu przez gwiazdę. Takie podejście umożliwi zespołowi utworzenie tak zwanej krzywej fazowej wskazującej zmiany jasności planety wzdłuż jej orbity. W rezultacie astronomowie mogą wydedukować rozkład temperatury powierzchni planety.
Zespół przeprowadził już ten pomiar za pomocą Trappist-1 b. Analizując sposób rozprowadzania ciepła na planecie, mogą wywnioskować obecność atmosfery. Dzieje się tak, ponieważ atmosfera pomaga w transporcie ciepła ze strony dziennej na nocną. Jeśli temperatura zmienia się gwałtownie na przejściu między obiema stronami, oznacza to brak atmosfery.