Webb először talál hangulatot egy sziklás exobolygón

A 55 Cancri e lávával borított felületéről felszálló gáz szén-dioxidban vagy szén-monoxidban gazdag légkört táplálhat.

Manapság nem tűnik nagy ügynek egy bolygó légkörének észlelése a Földtől több tíz vagy akár több száz fényévnyire. A tudósok az elmúlt két évtizedben több tucat exobolygót körülvevő légkörre találtak bizonyítékot. A probléma az, hogy ezeknek a bolygóknak vastag, hidrogén-dominált légköre van, amelyet viszonylag könnyű tanulmányozni. Néhány kis, sziklás exobolygót körülvevő vékony gáztakarók megfoghatatlanok maradtak.

A kutatók úgy vélik, hogy végre megpillanthatták a sziklás bolygót körülvevő gazdag, illékony légkört. A forró területekről kibocsátott fény erősen sugárzó Exobolygó 55 A Cancri e meggyőző bizonyítékot mutat egy olyan légkörről, amely valószínűleg szén-dioxidban vagy szén-monoxidban gazdag, és amely a bolygó felszínét borító hatalmas lávaóceánból áradna.

Az eredmény az eddigi legjobb bizonyíték a Naprendszerünkön kívüli sziklás bolygó légkörének létezésére.

Ez a művész koncepciója megmutatja, hogyan nézhet ki az 55 Cancri e exobolygó. A Janssennek is nevezett 55 Cancri e egy úgynevezett szuperföld, a Földnél jóval nagyobb, de a Neptunusznál kisebb sziklás bolygó, amely mindössze 1,4 millió mérföld (0,015 AU) távolságra kering csillaga körül, teljes pályát teljesítve. Kevesebb, mint 18 óra alatt. (A Merkúr 25-ször távolabb van a Naptól, mint csillaga, 55 Cancri e). Ez a négy nagy gázóriásbolygót is magában foglaló rendszer a Földtől körülbelül 41 fényévre, a Rák csillagképben található. Kép jóváírása: NASA, ESA, Kanadai Űrügynökség, Ralph Crawford (STScI)

A Webb űrteleszkóp egy sziklás exobolygót körülvevő lehetséges légkörre utal

A kutatók használnak NASA‘s James Webb űrteleszkóp A Földtől 41 fényévre található forró, sziklás exobolygó, az 55 Cancri e körül légköri gázokat észlelhettek. Ez az eddigi legjobb bizonyíték arra, hogy a Naprendszerünkön kívül minden sziklás bolygónak van légköre.

A Renew a NASA Jet Propulsion Laboratory-ból származik (Sugárhajtómű Laboratórium) a kaliforniai Pasadenában egy május 8-án megjelent tanulmány vezető szerzője természet. „Web az exobolygók jellemzésének határait a sziklás bolygókra feszegeti” – mondta Hu. „Ez valóban egy újfajta tudományt tesz lehetővé.”

Szuperforró Föld 55 Cancri E

55 Cancri e, más néven Janssen, egyike annak az öt ismert bolygónak, amelyek a Rák csillagképben található, Napszerű 55 Cancri csillag körül keringenek. A Föld átmérőjének közel kétszerese és valamivel nagyobb sűrűsége miatt a bolygó szuperföldnek minősül: nagyobb, mint a Föld és kisebb, mint a Föld. NeptunÖsszetételükben valószínűleg hasonlóak a Naprendszerünk sziklás bolygóihoz.

Ha azonban az 55 Cancri e-t „sziklásnak” nevezi, az rossz benyomást kelthet. A bolygó közel kering a csillagához (körülbelül 1,4 millió mérföldre, vagyis a Merkúr és a Nap távolságának 20/25-ére), felszíne pedig valószínűleg megolvadt – a magma pezsgő óceánja. Ilyen szűk pályán a bolygó valószínűleg árapály-zárásban is van, a nappali oldala mindig a csillag felé néz, az éjszakai oldala pedig örökös sötétségben.

A tranzitjának 2011-es felfedezése óta számos megfigyelés ellenére felmerül a kérdés, hogy van-e atmoszférája a Cancri e-nek vagy sem. tudott Az egyik válasz nélkül maradt magas hőmérséklete, valamint a csillagból érkező csillagsugárzás és a szél állandó támadása miatt.

„Több mint egy évtizede dolgozom ezen a bolygón” – mondta Diana Dragomir, az Új-Mexikói Egyetem exobolygókutatója és a tanulmány társszerzője. „Igazán elkeserítő volt, hogy a kapott visszajelzések egyike sem adott szilárd megoldást ezekre a rejtélyekre, örülök, hogy végre választ kaptunk!”

Ellentétben a gázóriás bolygók atmoszférájával, amelyek viszonylag könnyen észlelhetők ( Először derült ki A NASA által Hubble Űrteleszkóp Több mint két évtizede) a sziklás bolygókat körülvevő vékonyabb, sűrűbb légkör megfoghatatlan maradt.

Az 55 Cancri e-vel kapcsolatos, a NASA már megszűnt Spitzer Űrteleszkópjának adatait felhasználva végzett korábbi tanulmányok egy nagy légkör jelenlétére utaltak, amely illékony anyagokban (a Földön gáz formában található molekulákban) gazdag, például oxigénben, nitrogénben és szén-dioxidban. A kutatók azonban nem tudtak kizárni egy másik lehetőséget: hogy a bolygó üres, kivéve az elpárolgott kőzet törékeny takaróját, amely olyan elemekben gazdag, mint a szilícium, a vas, az alumínium és a kalcium. „A bolygó annyira forró, hogy az olvadt kőzet egy része biztosan elpárolgott” – magyarázta Ho.

Ez a fénygörbe az 55 Cancri rendszer fényerejének változását mutatja, ahogy a rendszer öt ismert bolygója közül a legközelebbi 55 Cancri e sziklás bolygó a csillag mögött mozog. Ezt a jelenséget másodlagos napfogyatkozásnak nevezik.
Amikor a bolygó a csillag közelében van, a csillag és a bolygó nappali oldalának középső infravörös fénye eléri a távcsövet, így a rendszer világosabbnak tűnik. Amikor a bolygó a csillag mögött van, a bolygó fénye blokkolva van, és csak a csillag fénye éri el a távcsövet, ami a látszólagos fényesség csökkenését eredményezi.
A csillagászok levonhatják a csillag fényességét a csillag és a bolygó együttes fényességéből, hogy kiszámítsák, mennyi infravörös fény érkezik a bolygó napközbeni oldaláról. Ezt használják a nappali hőmérséklet kiszámítására, és arra a következtetésre, hogy a bolygónak van-e légköre vagy sem.
Kép jóváírása: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Mérje meg az infravörös színek finom különbségeit

A két lehetőség megkülönböztetésére a csapat a Webb NIRCam (közeli infravörös kamera) és MIRI (közép-infravörös műszer) segítségével mérte a bolygóról érkező 4-12 mikronos infravörös fényt.

Bár Webb nem tud közvetlen képet készíteni az 55 Cancri e-ről, képes mérni a rendszer fényének finom változásait, miközben a bolygó kering a csillag körül.

A csapat levonja a fényerőt egy másodlagos fogyatkozás során (lásd a fenti képet), amikor a bolygó a csillag mögött van (csak csillagfény), és abból a fényerőből, amikor a bolygó közvetlenül a csillag mellett van (a csillag és a bolygó fénye együtt). képes volt kiszámítani a bolygó nappali oldaláról érkező infravörös fény különböző hullámhosszúságú sugarainak mennyiségét.

Ez a másodlagos fogyatkozási spektroszkópiaként ismert módszer hasonló ahhoz, amit más kutatócsoportok használnak más sziklás exobolygók, például a TRAPPIST-1 b légkörének keresésére.

A Webb NIRCam (Near Infrared Camera) 2022 novemberében és a MIRI (Mid-Infrared Instrument) 2023 márciusában rögzített hőkibocsátási spektruma a kibocsátott infravörös fény (x tengely) különböző hullámhosszúságú fényerejét (y-tengely) mutatja. Az óriás exobolygó 55 Cancri e. A spektrum azt mutatja, hogy a bolygót szén-dioxidban vagy szén-monoxidban és más illékony anyagokban gazdag légkör veszi körül, nem csak elpárolgott kőzet.
A grafikon a NIRCam (narancssárga pontok) és a MIRI (lila pontok) által gyűjtött adatokat hasonlítja össze két különböző modellel. A piros A modell azt mutatja, hogy milyennek kellene lennie az 55 Cancri e emissziós spektrumának, ha párolgó kőzet atmoszférája lenne. A kék színnel jelölt B modell azt mutatja, hogy hogyan nézzen ki az emissziós spektrum, ha a bolygó illékony anyagokban gazdag atmoszféráját bocsátaná ki egy magma-óceán, amelynek illékony tartalma hasonló a Föld köpenyéhez. A MIRI és a NIRCam adatok összhangban vannak az illékony anyagokban gazdag modellel.
A bolygó által kibocsátott középső infravörös fény mennyisége (MIRI) azt mutatja, hogy a nappali hőmérséklet sokkal alacsonyabb, mint akkor lenne, ha nem lenne olyan légkör, amely elosztja a hőt a nappali oldalról az éjszakai oldalra. A spektrum 4 és 5 mikron közötti zuhanása (NIRCam adatok) azzal magyarázható, hogy ezeket a hullámhosszokat a légkörben lévő szén-monoxid vagy szén-dioxid molekulák abszorbeálják.
A képek forrása: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Chicagói Egyetem), Mantas Zilinskas (SRON)

A vártnál hidegebb

Az első jelzés arra, hogy az 55 Cancri e-nek jelentős légköre lehet, a hőkibocsátás (lásd a fenti képet), vagy az infravörös fény formájában kibocsátott hőenergiája alapján végzett hőmérsékletmérésekből származott. Ha a bolygót sötét, olvadt kőzet borította vékony elpárolgott kőzetfátyolral, vagy egyáltalán nem lenne légkör, akkor a nappal 4000 fok körülinek kell lennie. F (~2200 fok Celsius).

„Ehelyett a MIRI adatok viszonylag alacsony hőmérsékletet mutattak, körülbelül 2800 Fahrenheit fokot. [~1540 degrees Celsius]Ő mondta. „Ez nagyon erős jele annak, hogy az energia a nappali oldalról az éjszakai oldalra oszlik el, valószínűleg egy illékony, gazdag légkör révén.” Míg a lávafolyamok némi hőt szállíthatnak az éjszakai oldalra, nem tudják azt elég hatékonyan mozgatni ahhoz, hogy figyelembe vegyék a hűsítő hatást.

Amikor a csapat megvizsgálta a NIRCam adatait, olyan mintákat láttak, amelyek összhangban állnak a gazdag, változékony légkörrel.

„Bizonyítékot látunk a spektrum 4 és 5 mikron közötti csökkenésére, és ebből a fényből kevesebb jut el a távcsőhöz” – magyarázta Aaron Bello-Aroff társszerző, szintén a NASA JPL munkatársa. „Ez szén-monoxidot vagy szén-dioxidot tartalmazó atmoszféra jelenlétét jelzi, amely elnyeli ezeket a fényhullámokat.” Egy olyan bolygón, amelynek nincs atmoszférája, vagy csak elpárolgott kőzetből áll az atmoszférája, nem lenne ilyen speciális spektrális jellemzője.

„Az elmúlt 10 évben különböző forgatókönyvek modellezésével próbáltuk elképzelni, hogyan is nézhet ki ez a világ” – mondta Yamila Miguel, a Leideni Obszervatórium és a Holland Űrkutatási Intézet (SRON) társszerzője. „Végre némi igazolást kapunk felbecsülhetetlen értékű munkánkért!”

Pezsgő magma-óceán

A csapat úgy véli, hogy az 55 Cancri e-t borító gázok belülről jönnek elő, nem pedig a bolygó kialakulása óta. „A mag légköre már régen eltűnt volna a magas hőmérséklet és a csillag intenzív sugárzása miatt” – mondta Bello-Arov. „Ez egy másodlagos atmoszféra lesz, amelyet a magma-óceán folyamatosan pótol, és nem csak folyékony kristályok és kőzetek vannak benne.

Míg az 55 Cancri e túl meleg ahhoz, hogy lakható legyen, a kutatók úgy vélik, hogy egyedülálló ablakot kínálhat a sziklás bolygók légköre, felszíne és belseje közötti kölcsönhatások tanulmányozására, és talán betekintést nyújthat a korai földi állapotokba. VénuszÉs MarsAmelyet a feltételezések szerint a távoli múltban magma-óceánok borítottak. „Végső soron azt akarjuk megérteni, hogy milyen körülmények teszik lehetővé egy sziklás bolygó számára a gázban gazdag légkör fenntartását: ez a lakható bolygó elengedhetetlen összetevője” – mondta Hu.

Ezt a kutatást a General Observers (GO) Webb Program 1952-re vonatkozó részeként végezték. Jelenleg 55 cancri további másodlagos fogyatkozási megfigyelését elemzik.

Hivatkozás: Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher „Másodlagos légkör az 55 Cancri e sziklás exobolygón” , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker és Bryce Olivier Demauri, 2024. május 8. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

A James Webb Űrteleszkóp a világ vezető űrtudományi obszervatóriuma. Webb megfejti naprendszerünk titkait, kitekint a többi csillag körüli távoli világok mögé, és feltárja univerzumunk titokzatos szerkezetét és eredetét, valamint a benne elfoglalt helyünket. A WEB egy nemzetközi program, amelyet a NASA vezet partnereivel, az Európai Űrügynökséggel (ESA).Európai Űrügynökség) és a Kanadai Űrügynökség.