Kosmiczny Teleskop Webb NASA ma odkryć sekrety najbardziej tajemniczej planety galaktyki

Ilustracja pokazująca, jak może wyglądać egzoplaneta GJ 1214 b na podstawie aktualnych informacji. GJ 1214 b, ciepła egzoplaneta wielkości Neptuna położona około 48 lat świetlnych od Ziemi, jest jedną z najlepiej zbadanych egzoplanet w galaktyce. Dotychczasowe obserwacje spektroskopowe wskazują, że planetę otaczają aerozole (chmury lub mgła), co uniemożliwiało do tej pory określenie składu gazów tworzących jej gęstą atmosferę. Źródło: NASA, ESA, CSA i D. Player (STScI)

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA przygotowuje się do podniesienia mgły otaczającej Sub-Neptun

Szczegółowe badania atmosfery dostarczą kluczowych informacji na temat niektórych z najbardziej powszechnych i tajemniczych planet w galaktyce.

ten droga Mleczna Pełna tajemniczych planet większych od Ziemi, ale nieco mniejszych Neptun, krążąc wokół swoich gwiazd szybciej i bliżej niż Merkury okrąża Słońce. Odległe o lata świetlne, przesłonięte mgłą lub chmurami i nic, z czym nie można porównać naszego Układu Słonecznego, dokładna natura tych wszechobecnych planet o rozmiarach zbliżonych do Neptuna pozostaje tajemnicą. Co zrobili? Jak powstały? A co mogą nam powiedzieć o planetach i ogólnie o ewolucji planet?

Dzięki niezrównanej zdolności do pomiaru bardzo drobnych różnic w jasności i kolorze przyćmionego światła podczerwonego, NASA’s Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Przeznaczony do usuwania mgły otaczającej naturę i pochodzenie najpopularniejszych typów planet obserwowanych w Drodze Mlecznej.

Ilustracja porównująca rozmiary egzoplanet pod Neptuna TOI-421b i GJ 1214b z Ziemią i Neptunem. TOI-421b i GJ 1214b leżą między Ziemią a Neptunem pod względem promienia, masy i gęstości. Niska gęstość dwóch egzoplanet sugeruje, że powinny one mieć gęstą atmosferę. Planety są ułożone od lewej do prawej w kolejności rosnącego promienia i masy:
Zdjęcie Ziemi z Deep Space Climate Observatory: Ziemia to skalista planeta o średnim promieniu około 6370 km, masie około 6 miliardów bilionów ton i gęstości 5,5 razy większej niż woda.
Ilustracja TOI-421 b: TOI-421 b jest gorącą egzoplanetą pod-Neptun o promieniu 2,68 mas Ziemi, masie 7,2 mas Ziemi i gęstości 2,05 razy większej niż woda.
Ilustracja GJ 1214 b: GJ 1214 b to ciepła egzoplaneta pod-Neptun o promieniu 2,74 razy większym od Ziemi, masie 8,2 razy większej od Ziemi i gęstości 2,2 razy większej od wody.
Obraz Neptuna z Voyagera 2: Neptun jest lodowym olbrzymem o promieniu 3,88 razy większym od Ziemi (co daje objętość prawie 58 razy większą od Ziemi), masie 17 razy większej od Ziemi i gęstości zaledwie 1,6 razy większej od wody.
Ilustracja przedstawia pomiary planet pod względem promienia, ale nie pokazuje położenia w przestrzeni lub odległości od ich gwiazd. Podczas gdy Ziemia i Neptun krążą wokół Słońca, TOI-421 b krąży wokół gwiazdy podobnej do Słońca w odległości około 244 lat świetlnych, a GJ 1214 b krąży wokół małego czerwonego karła oddalonego o około 48 lat świetlnych.
Źródło: NASA, ESA, CSA i D. Player (STScI)

Ponad połowa systemów gwiezdnych podobnych do Słońca badanych w Drodze Mlecznej zawiera tajemniczy typ planet, niespotykany w naszym Układzie Słonecznym.

Większe niż Ziemia, mniejsze niż Neptun i krążące bliżej niż Merkury okrąża Słońce, te ciepłe lub gorące podplanety są najczęstszym typem planet obserwowanym w galaktyce. Ale chociaż naukowcy byli w stanie zmierzyć podstawowe właściwości – w tym rozmiar, masę i orbitę – setek tych planet, ich podstawowa natura pozostaje niejasna.

Czy są to gęste, podobne do Ziemi kule skał i żelaza, pokryte grubymi warstwami wodoru i helu? Lub mniej gęste mieszanki skał i lodu, otoczone parną, bogatą w wodę atmosferą? Przy ograniczonych danych i braku planet o podobnej wielkości i orbicie w naszym Układzie Słonecznym do porównania, odpowiedzi na te pytania były trudne.

„Czym są te planety? Jak się tworzą? Dlaczego nasz Układ Słoneczny ich nie ma? To są fundamentalne pytania” – wyjaśnia Jacob Bean, astronom z Uniwersytet w Chicago Co doprowadziło do wielu obserwacji egzoplanet.

Ilustracja tego, jak może wyglądać egzoplaneta TOI-421b. TOI-421 b to gorąca egzoplaneta wielkości Neptuna krążąca wokół gwiazdy podobnej do Słońca w odległości około 244 lat świetlnych od Ziemi. Uważa się, że TOI-421 b ma czystą, wolną od zamglenia atmosferę. Źródło: NASA, ESA, CSA i D. Player (STScI)

problem z mgłą

Kluczem do poznania składowych składowych Neptuna i sposobu ich powstania jest zbadanie ich atmosfery. Ale uzyskanie jasnego widoku nie było łatwe.

Najskuteczniejsza metoda analizy planeta pozasłoneczna Atmosferyczna to technika znana jako spektroskopia transmisyjna. Kiedy planeta mija swoją gwiazdę, niektóre długości fal (kolory) światła gwiazdy są filtrowane przez gazy w atmosferze planety. Ponieważ każdy rodzaj gazu ma unikalną „sygnaturę” lub zestaw długości fal, które pochłania, można stwierdzić, z czego zbudowana jest atmosfera na podstawie wzorców widma transmisyjnego.

Ta technika odniosła sukces na wielu egzoplanetach, ale nie w przypadku większości pod-Neptunów. „Dokonano bardzo niewielu obserwacji atmosferycznych pod-Neptunów” – wyjaśnia Eliza Kimpton z University of Maryland-College Park, która specjalizuje się w teoretycznym modelowaniu atmosfer egzoplanet. „Większość z nich była niezadowolona, ​​ponieważ widma nie ujawniły zbyt wiele cech spektralnych, które pozwoliłyby nam zidentyfikować gazy w atmosferze”.

Potencjalne widmo transmisji TOI-421b gorącego pozasłonecznego Neptuna. Widmo transmisyjne pokazuje, ile światła gwiazd o różnych długościach fal (kolorach) jest blokowane przez atmosferę planety. Naukowcy wykorzystują modele komputerowe do przewidywania, jak będą wyglądać widma, zakładając rozsądne warunki atmosferyczne, takie jak temperatura, obfitość różnych gazów i rodzaje obecnych aerozoli. Źródło: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Elisa Kimpton (UMD)

Problemem wydają się być aerozole, drobne cząstki i kropelki, które tworzą chmury lub mgłę. Cząstki te rozpraszają światło gwiazd, powodując erozję wyraźnych szczytów widmowych w drobne zmarszczki i sprawiając, że widmo jest prawie bezużyteczne w określaniu składu gazu.

Ale dzięki Webbowi naukowcy są pewni, że nadchodzi znacznie jaśniejszy obraz pod-Neptuna. Dwa programy obserwacyjne prowadzone wspólnie przez Beana i Kemptona, zaplanowane na pierwszy rok działalności Webba, wykorzystają jego wyjątkowo potężne możliwości do zbadania dwóch podplanet wielkości Neptuna: GJ 1214 b, podarchetyp Neptuna; oraz TOI-421b, nowsze odkrycie.

Oryginalny model Neptuna: GJ 1214 B

GJ 1214 b, ciepły quasi-Neptun krążący wokół pobliskiego czerwonego karła, był przedmiotem dziesiątek badań. Jego krótki okres orbitalny, duży rozmiar w stosunku do swojej gwiazdy i względna bliskość Ziemi ułatwiają (jak to się dzieje na egzoplanetach) skuteczną obserwację, podczas gdy jego status jako punktu odniesienia dla Neptuna – i według Beana, „najbardziej tajemniczej egzoplanety, jaką znamy „-uczyń z tego godny cel. Dochodzenie.

Ten uproszczony wykres krzywej fazowej egzoplanety pokazuje zmianę całkowitej jasności układu gwiezdnego i planet, gdy planeta krąży wokół gwiazdy. System wydaje się jaśniejszy, gdy większa część oświetlonej strony planety jest zwrócona w stronę teleskopu (pełna faza), i staje się ciemniejszy, gdy ciemna strona jest skierowana w stronę teleskopu (nowa faza). Źródło: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI)

Zespół wykorzysta instrument Webba Mid-Infrared Instrument (MIRI) do niemal nieprzerwanego wpatrywania się w system GJ 1214 przez prawie 50 godzin, podczas gdy planeta kończy nieco ponad jedną pełną orbitę. Następnie przeanalizują dane na trzy różne sposoby, aby zawęzić możliwe kombinacje gazów i aerozoli, które tworzą atmosferę GJ 1214b.

spektroskopia transmisyjna: Jeśli molekuły takie jak woda, metan czy amoniak są obfite, powinny być widoczne w widmie transmisyjnym. Światło średniej podczerwieni nie powinno być rozpraszane przez aerozole w taki sam sposób, jak światło widzialne i bliskie podczerwieni.

Spektrometr emisji ciepła: Światło średniej podczerwieni emitowane przez samą planetę dostarczy informacji o temperaturze i odbiciu planety, na które ma wpływ atmosfera. Na przykład planeta otoczona ciemną, cichą, pochłaniającą światło mgłą byłaby znacznie cieplejsza niż planeta pokryta jasnymi, odbijającymi światło chmurami.

Mapowanie temperatury krzywej fazowej: Chociaż Webb nie będzie w stanie bezpośrednio obserwować GJ 1214 b (planeta jest bardzo blisko swojej gwiazdy), jest wystarczająco czuły, aby zmierzyć bardzo małe zmiany w całkowitej ilości światła z układu, gdy planeta okrąża gwiazdę. Naukowcy wykorzystają krzywą fazową GJ 1214 b, która jest wykresem jasności w funkcji fazy (czyli tego, jaka część dziennej strony planety jest skierowana w stronę teleskopu), aby zmapować średnią temperaturę planety z jej długością geograficzną. Dostarczy to dodatkowych informacji o cyrkulacji i składzie atmosfery.

Gorący Sub-Neptun TOI-421 B

Nie jest jasne, z czego wykonane są aerozole otaczające ciepłe pod-Neptuny, takie jak GJ 1214 b, ale mogą one być podobne do tych, które tworzą przypominającą smog mgiełkę znajdującą się na SaturnKsiężyc Tytana. Aby przetestować tę hipotezę, naukowcy postanowili wycelować w TOI-421 b, planetę podobną pod względem wielkości i gęstości do GJ 1214 b, ale uważaną za zbyt gorącą, aby mogła mieć gęstą mgłę.

Webb będzie obserwował TOI-421b dwa razy, gdy przechodzi przez swoją gwiazdę, raz używając kamery bliskiej podczerwieni i spektrografu szczelinowego (NIRISS) i ponownie używając spektrometru bliskiej podczerwieni (NIRSpec), aby wytworzyć pełne widmo transmisji bliskiej podczerwieni z planeta. Jeśli hipoteza jest poprawna, a niebo TOI-421 b jest czyste, widmo można wykorzystać do pomiaru obfitości cząsteczek, takich jak woda, metan i dwutlenek węgla. Jeśli okaże się, że TOI-421 b ma jednak problem z aerozolami, zespół wykorzysta te dane, aby lepiej zrozumieć składniki tych aerozoli.

Kempton i Bean są przekonani, że badając nieuchwytną atmosferę pod-Neptuna na wiele różnych sposobów za pomocą Webba, naukowcy w końcu zaczną rozumieć nie tylko te dwa konkretne obiekty, ale całą klasę planet.

Obserwacje MIRI GJ 1214b oraz NIRISS i NIRSpec TOI-421b będą prowadzone w ramach programu Webb’s Cycle 1 General Observers Program. Ogólne programy obserwatorów zostały wybrane konkurencyjnie przy użyciu anonimowego systemu podwójnej recenzji, tego samego systemu, który był używany do przydzielania czasu na Hubble’u.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie pierwszym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie, kiedy zostanie uruchomiony w 2021 roku. nasze miejsce w nim. Webb to międzynarodowy program prowadzony przez NASA i jej partnerów ESA (Europejską Agencję Kosmiczną) i Kanadyjską Agencję Kosmiczną.