Teleskop kosmiczny Jamesa Webba uchwycił swoje pierwsze bezpośrednie obrazy dwutlenku węgla na planecie poza Układem Słonecznym w HR 8799, systemu multiplanetowego 130 lat świetlnych, które od dawna jest kluczowym celem badań formacji planety.
Obserwacje dostarczają mocnych dowodów na to, że cztery gigantyczne planety systemu powstały w taki sam sposób jak Jowisz i Saturn, poprzez powoli budowanie solidnych rdzeni. Potwierdzają również, że Webb może zrobić więcej niż wnioskowanie o składzie atmosferycznym na podstawie pomiarów światła gwiazd – może bezpośrednio analizować chemię atmosfery egzoplanetowej.
„Wykonując te silne cechy dwutlenku węgla, pokazaliśmy, że istnieje znaczna część cięższych pierwiastków, takich jak węgiel,
Analiza obserwacji, która obejmowała również 96 lat świetlnych o nazwie 51 Eridani, pojawia się w czasopiśmie astrofizycznym.
HR 8799 to młody system w wieku około 30 milionów lat, ułamek 4,6 miliarda lat naszego Układu Słonecznego. Wciąż gorąca po ich gwałtownej formacji, planety HR 8799 emitują duże ilości światła podczerwieni, które dają naukowcom cenne dane na temat tego, jak ich formacja porównuje się do gwiazd lub brązowych krasnoludów.
Gigantyczne planety mogą nabierać kształtu na dwa sposoby: poprzez powoli budowanie solidnych rdzeni, które przyciągają gaz, takie jak nasz układ słoneczny, lub szybko zapadając się z dysku chłodzącego młodej gwiazdy w masywne obiekty. Wiedza, który model jest bardziej powszechny, może dać naukowcom wskazówki, aby rozróżnić rodzaje planet, które znajdują w innych systemach.
„Naszą nadzieję z tego rodzaju badaniami jest zrozumienie naszego własnego układu słonecznego, życia i nas samych w porównaniu z innymi systemami egzoplanetarnymi, abyśmy mogli kontekstualizować nasze istnienie” – powiedział Balmer. „Chcemy robić zdjęcia innych układów słonecznych i zobaczyć, jak są podobne lub inne w porównaniu z naszymi. Stamtąd możemy spróbować zrozumieć, jak dziwny jest nasz układ słoneczny – lub jak normalne”.
Bardzo niewiele egzoplanet zostało bezpośrednio obrazowanych, ponieważ odległe planety mają wiele tysięcy razy słabsze niż ich gwiazdy. Rejestrując bezpośrednie obrazy przy określonych długościach fali dostępnych tylko z Webb, zespół toruje drogę do bardziej szczegółowych obserwacji w celu ustalenia, czy obiekty, które widzą orbitujące inne gwiazdy, są prawdziwie gigantycznymi planetami lub obiektami, takimi jak brązowe karłacze, które tworzą się jak gwiazdy, ale nie gromadzą wystarczającej masy, aby zapalić fuzję jądrową.
„Mamy inne dowody, które wskazują na te cztery planety HR 8799 tworzące przy użyciu tego podejścia oddolnego”-powiedział Laurent Pueyo, astronom w Space Telescope Science Institute, który prowadził dzieło. „Jak powszechne jest to dla długich planet, które możemy bezpośrednio obrazować? Nie wiemy jeszcze, ale proponujemy więcej obserwacji Webba, zainspirowanych naszą diagnostyką dwutlenku węgla, aby odpowiedzieć na to pytanie”.
Osiągnięcie było możliwe dzięki koronagrafom Webba, które blokują światło z jasnych gwiazd, jak to ma miejsce w zaćmieniu Słońca, aby ujawnić ukryte światy. To pozwoliło zespołowi szukać światła podczerwieni w długościach fali, które ujawniają określone gazy i inne szczegóły atmosferyczne.
Kierując się w zakresie długości długości fali 3-5, zespół stwierdził, że cztery planety HR 8799 zawierają więcej ciężkich elementów niż wcześniej sądzono, kolejną wskazówkę, że utworzyły one w taki sam sposób, jak giganty gazowe naszego układu słonecznego. Obserwacje ujawniły również pierwsze wykrycie najbardziej wewnętrznej planety, HR 8799 E, przy długości fali 4,6 mikrometrów i 51 Eridani B przy 4,1 mikrometrach, pokazując wrażliwość Webba w obserwujących słabe planety blisko jasnych gwiazd.
W 2022 r. Jedna z kluczowych technik obserwacji Webba pośrednio wykrył dwutlenek węgla w innej egzoplanetce, zwanej WASP-39 B, śledząc, jak jego atmosfera zmieniła światło gwiazdowe, gdy przeszedł przed gwiazdą.
„To właśnie robili naukowcy dla transportu planet lub izolowanych brązowych karłów od czasu uruchomienia JWST” – powiedział Pueyo.
Rémi Soummer, który kieruje laboratorium optyki w Space Telescope Science Institute i wcześniej prowadził operacje Coronagrapta Webba, dodał: „Wiedzieliśmy, że JWST może mierzyć kolory zewnętrznych planetów w bezpośrednich systemach.
Zespół ma nadzieję wykorzystać koronagrafy Webba do analizy bardziej gigantycznych planet i porównania ich składu z modelami teoretycznymi.
„Te gigantyczne planety mają dość duże implikacje” – powiedział Balmer. „Jeśli masz te ogromne planety działające jak gry w kręgle biegnące przez układ słoneczny, mogą albo naprawdę zakłócać, chronić lub zrobić trochę obu planet, takich jak nasze, więc zrozumienie ich formacji jest kluczowym krokiem do zrozumienia formacji, przetrwania i zamieszkania planety podobnych do Ziemi w przyszłości”.
Inni autorzy to Jens Kammerer z Europejskiego Południa; Marshall D. Perrin, Julien H. Giraard, Roeland P. van der Mary, Jeff A. Valent, Joshua D. Lothrning, Kielan Kw Hoch i Rèemi Soummer z Space Telescope Science Institute; Jarron M. Leisenring z University of Arizona; Kellen Lawson z NASA-Godd Space Flight Center; Henry Dennen z Amherst College; Charles A. Beichman z NASA Exoplanet Science Institute; Geoffrey Bryden, Jorge Loboratory; Nikole K. Lewis z Cornell University; Mathilde Mâlin z Johns Hopkins; Isabel Rebollido, Emily Rickman z Europejskiej Agencji Kosmicznej; Mark Clampin z siedziby głównej NASA; i C. Matt Mountain of the Association of University for Research in Astromy.