Webb potwierdza swoją pierwszą egzoplanetę

Naukowcy potwierdzili egzoplanetę, planetę krążącą wokół innej gwiazdy, używając po raz pierwszy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Formalnie sklasyfikowana jako LHS 475 b, planeta jest prawie dokładnie tego samego rozmiaru co nasza, osiągając 99% średnicy Ziemi. Zespołem badawczym kierują Kevin Stevenson i Jacob Lustig-Yaeger, obaj z Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Laurel w stanie Maryland.

Zespół zdecydował się obserwować ten cel za pomocą Webba po dokładnym przejrzeniu interesujących celów z należącego do NASA satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), który wskazywał na istnienie planety. Spektrograf bliskiej podczerwieni Webba (NIROSpec) uchwycił planetę z łatwością i wyraźnie przy zaledwie dwóch obserwacjach tranzytu.

 

Nie ma wątpliwości, że planeta tam jest. Nieskazitelne dane Webba potwierdzają to.powiedział Lustig-Yaeger.

Fakt, że jest to również mała, skalista planeta, jest imponujący dla obserwatorium.dodał Stevenson.

Te pierwsze wyniki obserwacji skalistej planety wielkości Ziemi otwierają drzwi do wielu przyszłych możliwości badania atmosfer planet skalistych za pomocą Webba. Webb zbliża nas coraz bardziej do nowego zrozumienia światów podobnych do Ziemi poza naszym Układem Słonecznym, a misja dopiero się zaczyna.zgodził się Mark Clampin, dyrektor Wydziału Astrofizyki w Kwaterze Głównej NASA w Waszyngtonie.

Spośród wszystkich działających teleskopów tylko Webb jest w stanie scharakteryzować atmosfery egzoplanet wielkości Ziemi. Zespół próbował ocenić, co znajduje się w atmosferze planety, analizując jej widmo transmisyjne . Chociaż dane pokazują, że jest to planeta typu ziemskiego wielkości Ziemi, nie wiedzą jeszcze, czy ma ona atmosferę.

Dane z obserwatorium są piękne. Teleskop jest tak czuły, że może z łatwością wykryć szereg cząsteczek, ale nie możemy jeszcze wyciągnąć żadnych ostatecznych wniosków na temat atmosfery planety.powiedziała Erin May, również z Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa.

Chociaż zespół nie może stwierdzić, co jest obecne, z pewnością może powiedzieć, czego nie ma.

Istnieje kilka atmosfery typu ziemskiego, które możemy wykluczyć. Nie może mieć gęstej atmosfery zdominowanej przez metan, podobnej do atmosfery Tytana, księżyca Saturna.wyjaśnił Lustig-Yaeger.

Zespół zauważa również, że chociaż jest możliwe, że planeta nie ma atmosfery, istnieją pewne składy atmosfery, które nie zostały wykluczone, takie jak atmosfera z czystym dwutlenkiem węgla.

Wbrew intuicji atmosfera składająca się w 100% z dwutlenku węgla jest o wiele bardziej zwarta, co sprawia, że ​​jej wykrycie staje się bardzo trudne.powiedział Lustig-Yaeger.

Zespołowi potrzebne są jeszcze dokładniejsze pomiary, aby odróżnić atmosferę czystego dwutlenku węgla od atmosfery bez atmosfery. Naukowcy planują uzyskać dodatkowe widma z nadchodzącymi obserwacjami tego lata.

Webb ujawnił również, że planeta jest o kilkaset stopni cieplejsza od Ziemi, więc wykrycie chmur może doprowadzić naukowców do wniosku, że planeta bardziej przypomina Wenus, która ma atmosferę dwutlenku węgla i jest wiecznie spowita gęstymi chmurami.

Jesteśmy w czołówce badań małych, skalistych egzoplanet. Zaledwie zaczęliśmy drapać powierzchnię tego, jaka może być ich atmosfera.powiedział Lustig-Yaeger.

Naukowcy potwierdzili również, że planeta okrąża orbitę w ciągu zaledwie dwóch dni, co zostało niemal natychmiast ujawnione dzięki precyzyjnej krzywej blasku Webba . Chociaż LHS 475 b znajduje się bliżej swojej gwiazdy niż jakakolwiek planeta w naszym Układzie Słonecznym, jej czerwony karzeł ma mniej niż połowę temperatury Słońca, więc naukowcy przewidują, że nadal może mieć atmosferę.

Odkrycia naukowców otworzyły możliwości dokładnego wskazania planet wielkości Ziemi krążących wokół mniejszych czerwonych karłów.

To potwierdzenie skalistej planety podkreśla precyzję instrumentów misji. A to tylko pierwsze z wielu odkryć, których dokona. Dzięki temu teleskopowi skaliste egzoplanety są nową granicą. powiedział Stevenson.

Rozbłyski gwiazdy macierzystej mogą wpływać na wnętrza planet w układzie TRAPPIST-1

W niedawnym badaniu opublikowanym w The Astrophysical Journal Letters międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Uniwersytet w Kolonii w Niemczech zbadał, w jaki sposób rozbłyski macierzystej gwiazdy TRAPPIST-1 mogą wpływać na ogrzewanie wnętrza orbitujących egzoplanet. System TRAPPIST-1 to układ egzoplanet znajdująca się około 39 lat świetlnych od Ziemi z co najmniej siedmioma potencjalnie skalistymi egzoplanetami krążącymi wokół gwiazdy, która ma 12 razy mniej masy niż nasze Słońce. Ponieważ gwiazda macierzysta jest znacznie mniejsza niż Słońce, orbity planet w systemie TRAPPIST-1 są również znacznie mniejsze niż w Układzie Słonecznym.

Jeśli weźmiemy Ziemię za punkt wyjścia, aktywność geologiczna ukształtowała całą powierzchnię planety, a aktywność geologiczna jest ostatecznie napędzana przez ochładzanie się planet. Ziemia ma w swoim wnętrzu pierwiastki radioaktywne, które wytwarzają ciepło i umożliwiają przetrwanie procesów geologicznych powyżej 4,5 Gyr. Powstaje jednak pytanie, czy wszystkie planety wymagają pierwiastków radioaktywnych do napędzania procesów geologicznych, które mogą stworzyć nadające się do zamieszkania środowisko powierzchniowe, które umożliwi ewolucję życia. Chociaż niektóre inne procesy mogą generować ciepło wewnątrz planety, są one często krótkotrwałe lub wymagają specjalnych okoliczności, co posuwałoby hipotezę, że aktywność geologiczna są prawdopodobnie rzadkie.powiedział dr Dan Bower, geofizyk z Center for Space and Habitability w z Uniwersytetu w Bernie i współautor badania.

Badanie jest interesujące, gdyż TRAPPIST-1 jest z klasyfikowany jako Gwiazda typu M , która jest znacznie mniejsza od naszego Słońca i emituje znacznie mniej promieniowania.

Gwiazdy typu M (czerwone karły) to najpowszechniejszy typ gwiazd w naszym gwiezdnym sąsiedztwie, a TRAPPIST-1 wzbudził duże zainteresowanie od czasu odkrycia, że ​​krąży wokół niego siedem planet wielkości Ziemi. W naszym badaniu zbadaliśmy, w jaki sposób gwiezdne rozbłyski z TRAPPIST-1 wpłynęły na wewnętrzny budżet cieplny orbitujących planet i odkryliśmy, że szczególnie w przypadku planet znajdujących się najbliżej gwiazdy, ogrzewanie wnętrza spowodowane rozpraszaniem omowym z rozbłysków jest znaczące i może napędzać aktywność geologiczną. Co więcej, proces ten jest długotrwały i może trwać w geologicznych skalach czasowych, potencjalnie umożliwiając środowisku powierzchniowemu ewolucję w kierunku nadającym się do zamieszkania lub przejście przez szereg stanów nadających się do zamieszkania. Wcześniej wpływ rozbłysków gwiezdnych na możliwość zamieszkania był przeważnie uważany za destrukcyjny, na przykład poprzez zdzieranie ochronnej atmosfery otaczającej planetę. Wyniki przedstawiają inną perspektywę, pokazując, w jaki sposób rozbłyski mogą faktycznie sprzyjać powstawaniu nadającego się do zamieszkania środowiska blisko powierzchni.wyjaśnił dr Bower.

Rozpraszanie omowe, znane również jako strata omowa, definiuje się jako „utratę energii elektrycznej w wyniku konwersji na ciepło, gdy prąd przepływa przez rezystancję”. Zasadniczo naukowcy wykorzystali to do obliczenia ilości ciepła traconego przez planetę, znanego również jako chłodzenie planetarne , które napotykają wszystkie ziemskie ciała planetarne – nawet Ziemia.

Wyniki badań wskazują, że planetarne ochładzanie występujące na planetach TRAPPIST-1 wystarczy do napędzania aktywności geologicznej, która doprowadziłaby do gęstszej atmosfery. Modele badacza przewidują również, że obecność planetarnego pola magnetycznego może poprawić te wyniki ogrzewania.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykonał pierwsze obserwacje układu TRAPPIST-1, stwierdzając, że jedna z planet w tym układzie ma małe prawdopodobieństwo posiadania atmosfery wodorowej, takiej jak gazowe planety w naszym Układzie Słonecznym. Może to wskazywać, że przynajmniej jedna z planet TRAPPIST-1 może posiadać bardziej ziemską atmosferę, jak Ziemia, Mars i Wenus.

Istnieją dwie oczywiste drogi. Po pierwsze, nasze gwiezdne sąsiedztwo jest zdominowane przez gwiazdy M, więc kampanie obserwacyjne mogą ocenić rozbłyskowy charakter wielu innych gwiazd M oprócz TRAPPIST-1. Po drugie, udoskonalona charakterystyka układu planetarnego TRAPPIST poprzez obserwacje i modele poprawi nasze zrozumienie wnętrz planet. To pozwoli nam udoskonalić nasz model pod kątem tego, czy planety mają żelazne jądro i czy mają duży płaszcz krzemianowy podobny do Ziemi.wyjaśnia dr Bower.

Planujemy przeprowadzić bardziej rozbudowane symulacje fizyczne, aby lepiej zrozumieć wpływ wewnętrznych pól magnetycznych. Długoterminowym celem jest połączenie naszego modelu z modelami powstawania i erozji atmosfery.powiedział dr Alexander Grayver, który jest liderem Heisenberg Junior Research Group na Uniwersytecie w Kolonii i głównym autorem badania.

Gigantyczna egzoplaneta kręci się w kierunku swojej zagłady

„Śmierć przez zniszczenie przez macierzystą gwiazdę” to los, który czeka większość planet w układach gwiezdnych. Obejmuje to nasze Słońce, Wenus i Merkurego za kilka miliardów lat. Astronomowie widzą teraz ten sam los, który czeka Keplera-1658b. To gorąca egzoplaneta wielkości Jowisza krążąca wokół wyewoluowanego żółto-białego karła typu F, oddalonego o około 2600 lat świetlnych od Ziemi.

Wiele rzeczy sprzysięga się na ognisty los tego świata: bliskość jego gwiazdy, powoli zanikająca orbita i fizyka pływów. Egzoplaneta Kepler-1658b leży 0,054 jednostki astronomicznej od swojej pierwotnej planety — znacznie bliżej niż odległość między Słońcem a Merkurym w naszym Układzie Słonecznym. Kręci się również po orbicie trwającej 3,8 dnia. Ta szybka, bliska orbita rozpada się z kilku powodów. Pierwszy jest prosty: pływy. Zasadniczo oddziaływanie grawitacyjne między Kepler-1658b a jego starzejącą się gwiazdą macierzystą zmienia orbitę planety. To jeszcze bardziej zbliża go do gwiazdy. Drugim czynnikiem jest wiek samej gwiazdy. Jest już wystarczająco stary, by zacząć się rozszerzać i stać się podolbrzymem. To interesujący kawałek astrofizyki. To, w połączeniu z fizyką pływów działającą na orbitę planety.

Wcześniej wykryliśmy dowody na istnienie egzoplanet inspirujących ich gwiazdy, ale nigdy wcześniej nie widzieliśmy takiej planety wokół wyewoluowanej gwiazdy. Teoria przewiduje, że wyewoluowane gwiazdy są bardzo skuteczne w wysysaniu energii z orbit swoich planet, a teraz możemy zweryfikować te teorie obserwacjami.powiedział Shreyas Vissapragada, stypendysta 51 Pegasi b w Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian i główny autor nowego badania opisującego wyniki.

Wykrywanie spadku orbity egzoplanety

Zmiana okresu orbitalnego między Keplerem-1658b a jego gwiezdnym rodzicem wynosi zaledwie 131 milisekund rocznie. Oznacza to, że za około 2,5 miliarda lat Kepler-1658b zostanie połknięty przez swoją gwiazdę i nigdy więcej go nie zobaczymy.

Skąd więc Vissaparagada i współpracownicy wiedzieli, że tak się dzieje? Potwierdzenie orbity tej egzoplanety było długim, żmudnym procesem, który wymagał wielu uważnych obserwacji przez kilka lat. Po pierwsze, astronomowie musieli potwierdzić, że Kepler-1658b jest rzeczywistą egzoplanetą, a nie tylko zaburzeniem danych. Ta gorąca planeta Jowisz była właściwie pierwszą egzoplanetą odkrytą przez misję Keplera. Ale potwierdzenie tego odkrycia za pomocą dalszych obserwacji zajęło prawie dziesięć lat .

Dalsze obserwacje ujawniły coś dziwnego na temat planety – jej dzienna temperatura wynosi około 3450 K, czyli jest cieplejsza i jaśniejsza niż oczekiwali astronomowie. Można to wytłumaczyć interakcjami planety z gwiazdą macierzystą. Przyciąganie pływowe może generować więcej ciepła wewnątrz planety (podobnie jak interakcja między Jowiszem, Io i Europą z wnętrzem Io). Aby to potwierdzić, astronomowie będą musieli przeprowadzić więcej obserwacji planety i jej gwiazdy.

Uczenie się na zbliżającym się upadku Keplera-1658

Następny krok po odkryciu wymagał jeszcze więcej obserwacji, aby zrozumieć „inspirujący proces” wysyłający tę egzoplanetę w jej gwiazdę. Zmiany orbitalne trwające 133 milisekundy rocznie nie są tak naprawdę wykrywalne w zaledwie kilku obserwacjach. Wymagało to całej wioski teleskopów i obserwatoriów, poczynając od Keplera, a następnie prac naziemnych w Obserwatorium Palomar w Teleskopie Hale’a. Następnie Teleskopy do Przeglądu Egzoplanet Tranzytowych (TESS) miały okazję przyjrzeć się systemowi. Wszystkie te przechwycone dane, gdy egzoplaneta przechodziła przez tarczę swojej gwiazdy (jak widać z naszego punktu widzenia). Wynik netto? W ciągu ostatnich 13 lat czas między tranzytami bardzo nieznacznie się skrócił. Podstawowa przyczyna? Rozpraszanie energii dzięki oddziaływaniom pływowym.

Dobra, teraz wiemy, że tarcie pływowe ogrzewa Keplera-1658b, podczas gdy jego orbita rozpada się w spiralę zagłady. Stanie się to w ciągu najbliższych kilku miliardów lat. To długi marsz śmierci. Czego więc astronomowie mogą się z tego nauczyć?

Teraz, gdy mamy dowody na inspirację planety wokół wyewoluowanej gwiazdy, możemy naprawdę zacząć udoskonalać nasze modele fizyki pływów. System Kepler-1658 może w ten sposób służyć jako niebieskie laboratorium przez nadchodzące lata, a przy odrobinie szczęścia wkrótce będzie ich znacznie więcej.powiedział Vissapragada.

Fizykę tej sytuacji można oczywiście zastosować do wielu innych gwiazd i ich planet, w tym naszej własnej. Obserwowanie, jak Kepler-1658b oddziałuje ze swoją gwiazdą w grawitacyjnej walce na śmierć i życie, powinno dać wgląd w to, co stanie się za mniej więcej 5 miliardów lat , kiedy Ziemia i nadęty czerwony olbrzym Słońce będą wchodzić w interakcje.

Hubble i Spitzer łączą siły, aby znaleźć parę egzoplanet bogatych w wodę

Na dzień 19 grudnia 2022 r. w 3908 układach potwierdzono 5227 planet pozasłonecznych, a ponad 9000 kolejnych oczekuje na potwierdzenie. Podczas gdy większość z tych planet to gazowe olbrzymy wielkości Jowisza lub Neptuna lub planety skaliste wielokrotnie większe od Ziemi (superziemie), statystycznie istotna liczba to planety, na których woda stanowi znaczną część ich masy – tzw. „wodne światy”. Te planety nie przypominają niczego, co widzieliśmy w Układzie Słonecznym i rodzą kilka pytań dotyczących formowania się planet w naszej galaktyce.

W niedawnym badaniu międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Instytutu Badań nad Exoplanetami (iREx) Uniwersytetu w Montrealu znalazł dowody na istnienie dwóch wodnych światów w jednym układzie planetarnym, oddalonym o około 218 lat świetlnych w konstelacji Lutni. Na podstawie ich gęstości zespół ustalił, że te egzoplanety (Kepler-138c i Kepler-138d) są lżejsze niż skaliste planety „podobne do Ziemi”, ale cięższe niż planety zdominowane przez gaz. Odkrycia dokonano na podstawie danych z nieczynnego już Kosmicznego Teleskopu Spitzera i Kosmicznego Teleskopu Hubble’a .

Zespołem kierowała Caroline Piaulet , naukowiec i dr. kandydatka z iREx, w ramach doktoratu. Praca dyplomowa. Dołączył do niej profesor astrofizyki Björn Benneke , jej doktorant. doradca w iREx oraz badacze z Instytutu Badań Kosmicznych Austriackiej Akademii Nauk, Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron, Instytutu Nauki o Exoplanetach NASA (NExSci), Centrum Lotów Kosmicznych NASA Goddard i wielu uniwersytetów. Artykuł opisujący ich odkrycia ukazał się niedawno w czasopiśmie Nature Astronomy.

Podczas jej stażu w iREx, praca Piaulet polegała na wykorzystaniu danych spektroskopii tranzytowej i zaćmieniowej uzyskanych przez Spitzera, Hubble’a i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) w celu określenia składu egzoplanet średniej wielkości – znajdujących się między Ziemią a Neptunem pod względem rozmiar. To tam znajdują się wodne światy, planety, które są masywniejsze od Ziemi, ale mają wielokrotnie większą objętość – co oznacza, że ​​mają znacznie mniejszą gęstość. Jak wyjaśnił Benneke w niedawnym komunikacie prasowym NASA :

Wcześniej myśleliśmy, że planety nieco większe od Ziemi to wielkie kule z metalu i skał, jak powiększona wersja Ziemi, i dlatego nazywaliśmy je superziemiami. Jednak teraz wykazaliśmy, że te dwie planety, Kepler-138c i d, mają zupełnie inną naturę i że duża część ich całej objętości prawdopodobnie składa się z wody. To najlepszy jak dotąd dowód na istnienie wodnych światów, rodzaju planet, o których astronomowie przypuszczali, że istnieją od dawna.

Egzoplanety omawiane w tym badaniu zostały wcześniej odkryte w 2014 roku przez Kosmiczny Teleskop Keplera przy użyciu metody tranzytowej , który wykrył również trzecią egzoplanetę (Kepler-198b) krążącą bliżej gwiazdy. W latach 2014-2016 Benneke i jego koleżanka Diana Dragomir (University of New Mexico) wpadli na pomysł obserwacji układu planetarnego za pomocą Hubble’a i Spitzera w celu poszukiwania większej liczby tranzytów Keplera-138d w celu zbadania jego atmosfery. Wraz z Piauletem zespół był w stanie ograniczyć rozmiar Kepler-198c i d na podstawie 13 obserwacji tranzytu wykonanych przez Hubble’a i Spitzera .

Zostały one połączone z nowymi pomiarami prędkości radialnej gwiazdy macierzystej wykonanymi za pomocą spektrometru Echelle o wysokiej rozdzielczości (HIRES) w Obserwatorium WM Keck . To pozwoliło zespołowi ograniczyć rozmiar i masę Kepler-198c i d, co doprowadziło ich do oszacowania wielkości około dwóch mas Ziemi, co sugeruje, że są to „super-ziemie”. Odkrycia te wskazują również, że Kepler-198c i d są „bliźniaczymi” planetami, o praktycznie tej samej wielkości i masie – zaprzeczając wcześniejszym szacunkom, że były one radykalnie różne.

Jednak ich szacunki wskazują również, że te egzoplanety mają mniej więcej trzy razy większą objętość niż Ziemia (co oznacza, że ​​mają mniejszą gęstość). Doprowadziło to do wniosku, że nawet połowa ich objętości składa się z pierwiastków lotnych (z których najpowszechniejszym jest woda). Wyniki te były zaskakujące, ponieważ większość dotychczas szczegółowo zbadanych egzoplanet (nieco większych od Ziemi) wydawała się skalista. Według naukowców najbliższe porównanie dotyczyłoby niektórych lodowych księżyców w zewnętrznym Układzie Słonecznym (takich jak Europa, Enceladus, Ganimedes, Tytan itp.).

Ciała te składają się głównie z wody i innych substancji lotnych otaczających skalisto-metaliczne jądro, co prowadzi do przydomku „światy oceanów”. Podobnie „wodne światy” mogą nie mieć oceanów powierzchniowych, jak Ziemia, ale wewnętrzne oceany pod warstwą lodu powierzchniowego. Jak powiedział Piaulet :

Wyobraźcie sobie większe wersje Europy lub Enceladusa, bogatych w wodę księżyców krążących wokół Jowisza i Saturna, ale znacznie zbliżonych do ich gwiazdy. Zamiast lodowatej powierzchni miałyby one zawierać duże powłoki z pary wodnej. Temperatura w atmosferze Kepler-138d jest prawdopodobnie wyższa od temperatury wrzenia wody i spodziewamy się gęstej, gęstej atmosfery zbudowanej z pary wodnej na tej planecie. Tylko w tej atmosferze pary wodnej potencjalnie może znajdować się woda w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem, a nawet woda w innej fazie, która występuje pod wysokim ciśnieniem, zwana płynem nadkrytycznym.

Chociaż ani Kepler-138c, ani d nie znajdują się w strefie nadającej się do zamieszkania, zespół zauważył również dowody na istnienie czwartej planety w danych z Hubble’a i Spitzera! Ta nowo odkryta planeta (Kepler-138e) krąży dalej od swojej gwiazdy macierzystej, okrążając ją w ciągu 38 dni, i wydaje się być podobna rozmiarami do Marsa. Jednak charakterystyka tej planety pozostaje słabo ograniczona, ponieważ wydaje się, że nie przechodzi ona przez swoją gwiazdę macierzystą. Ale dzięki teleskopom nowej generacji, takim jak JWST i dostępnym bardziej czułym technikom, astronomowie prawdopodobnie znajdą więcej wodnych światów krążących dalej od swoich gwiazd.

Odkąd zaczął obserwować kosmos, JWST zademonstrował kluczową zdolność poprzez bezpośrednie obrazowanie egzoplanety HIP 65425b i uzyskiwanie widm z atmosfery WASP-39b. W tym drugim przypadku widma stanowiły pierwszy wyraźny dowód obecności dwutlenku węgla w atmosferze tej planety (uważanego za kluczowy biosygnatura). Pracując w iREx, Piaulet opracował również nową metodę ograniczania temperatur atmosferycznych egzoplanet na podstawie widm emisji, które uzyska JWST. Ta metoda pozwoli astronomom bezpośrednio zmierzyć kluczowy wskaźnik zamieszkiwalności planet.