Nowe obserwacje za pomocą JWST nie wykluczają już obecności atmosfery wokół skalistej planety wielkości Ziemi. Jednak geologicznie aktywna planeta również wyjaśnia dane.
Źródło: Thomas Müller (HdA/MPIA)
Najnowsze pomiary wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba podają w wątpliwość dotychczasowe rozumienie natury egzoplanety TRAPPIST-1 b. Do tej pory zakładano, że jest to ciemna skalista planeta bez atmosfery, ukształtowana przez trwające miliardy lat kosmiczne oddziaływania promieniowania i meteorytów. Okazuje się, że jest wręcz przeciwnie. Powierzchnia nie wykazuje żadnych oznak wietrzenia, co mogłoby 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 jest jedną z siedmiu skalistych planet krążących wokół gwiazdy TRAPPIST-1, znajdującej się w odległości 40 lat świetlnych. Ten układ planetarny jest wyjątkowy, ponieważ pozwala astronomom badać siedem planet podobnych do Ziemi ze stosunkowo bliskiej odległości, z których trzy znajdują się w tak zwanej ekosferze. Jest to obszar w układzie planetarnym, w którym na powierzchni planety może znajdować się woda w stanie ciekłym. Do tej pory dziesięć programów badawczych miało na celu ten układ za pomocą JWST przez 290 godzin.
Obecnym badaniem, w które w znacznym stopniu zaangażowani są naukowcy z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu, kierowała Elsa Ducrot z Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) w Paryżu we Francji. Badania te wykorzystują pomiary termicznego promieniowania podczerwonego – zasadniczo promieniowania cieplnego – planety TRAPPIST-1 b za pomocą Mid-Infrared Imager (MIRI) na JWST a ich wyniki zostały opublikowane w Nature Astronomy. Praca obejmuje wyniki z 2023 roku, na których opierały się poprzednie wnioski, opisujące TRAPPIST-1 b jako ciemną skalistą planetę bez atmosfery.
Skorupa TRAPPIST-1 b może być aktywna geologicznie
Jednak pomysł skalistej planety o silnie zwietrzałej powierzchni bez atmosfery jest niezgodny z obecnymi pomiarami – powiedział astronom MPIA Jeroen Bouwman, który był współodpowiedzialny za program obserwacyjny. Dlatego uważamy, że planeta jest pokryta stosunkowo niezmienionym materiałem. Zazwyczaj powierzchnia jest zwietrzała w wyniku promieniowania gwiazdy centralnej i uderzeń meteorytów. Wyniki sugerują jednak, że skały na powierzchni mają 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 wyjaśnić ekstremalnym wulkanizmem lub tektoniką płyt. Nawet jeśli taki scenariusz jest obecnie nadal hipotetyczny, jest on jednak prawdopodobny. Planeta jest na tyle duża, że jej wnętrze mogło zachować ciepło resztkowe po jej uformowaniu – podobnie jak w przypadku Ziemi. Efekt pływowy gwiazdy centralnej i innych planet może również deformować TRAPPIST-1 b w taki sposób, że powstałe tarcie wewnętrzne generuje ciepło – podobne do tego, co widzimy na księżycu Jowisza Io. Ponadto możliwe jest indukcyjne ogrzewanie przez pole magnetyczne pobliskiej gwiazdy.
Czy TRAPPIST-1 b może jednak mieć atmosferę?
Dane pozwalają również na zupełnie inne rozwiązanie – powiedział Thomas Henning, emerytowany dyrektor MPIA. Był on jednym z głównych architektów instrumentu MIRI. W przeciwieństwie do wcześniejszych pomysłów, istnieją warunki, w których planeta może mieć gęstą atmosferę bogatą w dwutlenek węgla – dodał. Kluczową rolę w tym scenariuszu odgrywa zamglenie górnych warstw atmosfery przez związki węglowodorowe, czyli smog.
Dwa programy obserwacyjne, które uzupełniają się nawzajem w obecnych badaniach, zostały zaprojektowane do pomiaru jasności TRAPPIST-1 b na różnych długościach fal w zakresie termicznej podczerwieni (12,8 i 15 mikrometrów). Pierwsza obserwacja była czuła na absorpcję promieniowania podczerwonego planety przez warstwę dwutlenku węgla. Nie zmierzono jednak żadnego pociemnienia, co doprowadziło naukowców do wniosku, że planeta nie ma atmosfery.
Zespół naukowców przeprowadził obliczenia modelowe, które pokazują, że zamglenie może odwrócić stratyfikację temperatury atmosfery bogatej w dwutlenek węgla. Zazwyczaj dolne, przygruntowe warstwy są cieplejsze niż górne z powodu wyższego ciśnienia. Gdy mgła pochłania światło gwiazdy i się ogrzewa, zamiast tego może ogrzewać górne warstwy atmosfery, wspomagane przez efekt cieplarniany. W rezultacie dwutlenek węgla emituje promieniowanie podczerwone.
Widzimy, że coś podobnego dzieje się na księżycu Saturna, Tytanie. Jego warstwa mgły najprawdopodobniej tworzy się tam pod wpływem promieniowania ultrafioletowego Słońca z bogatych w węgiel gazów w atmosferze. Podobny proces może zachodzić na TRAPPIST-1 b ze względu na jej gwiazdę emitującą znaczne promieniowanie UV.
To skomplikowane
Nawet jeśli dane pasują do tego scenariusza, astronomowie nadal uważają go za mniej prawdopodobny. Z jednej strony, wytworzenie związków węglowodorowych tworzących mgłę w atmosferze bogatej w dwutlenek węgla jest trudniejsze, choć nie niemożliwe. Atmosfera Tytana składa się jednak głównie z metanu. Z drugiej strony, problemem pozostaje fakt, że aktywne czerwone karły, do których należy TRAPPIST-1, wytwarzają promieniowanie i wiatry, które mogą z łatwością erodować atmosfery pobliskich planet na przestrzeni miliardów lat.
TRAPPIST-1 b jest żywym przykładem tego, jak trudno jest obecnie wykryć i określić atmosferę planet skalistych – nawet dla JWST. Są one cienkie w porównaniu do planet gazowych i wytwarzają jedynie słabe mierzalne sygnatury. Dwie obserwacje w celu zbadania TRAPPIST-1 b, które dostarczyły wartości jasności na dwóch długościach fal, trwały prawie 48 godzin, co nie wystarczyło, aby ustalić ponad wszelką wątpliwość, czy planeta ma atmosferę.
Zaćmienia i zakrycia jako narzędzie
W obserwacjach wykorzystano niewielkie nachylenie płaszczyzny planety do naszej linii widzenia TRAPPIST-1. Taka orientacja powoduje, że siedem planet przechodzi przed gwiazdą i lekko ją przyciemnia podczas każdej orbity. W rezultacie pozwala to na poznanie natury i atmosfery planet na kilka sposobów.
Tak zwana spektroskopia tranzytowa okazała się niezawodną metodą. Polega ona na pomiarze pociemnienia gwiazdy wywołanego przez jej planetę, w zależności od długości fali. Oprócz zaćmienia przez nieprzezroczyste ciało planetarne, na podstawie którego astronomowie określają rozmiar planety, gazy atmosferyczne pochłaniają światło gwiazdy na określonych długościach fal. Na tej podstawie można wywnioskować, czy planeta posiada atmosferę i z czego się ona składa. Niestety, metoda ta ma swoje wady, szczególnie w przypadku układów planetarnych takich jak TRAPPIST-1. Chłodne, czerwone karły często wykazują duże plamy gwiazdowe i silne erupcje, co znacząco wpływa na wyniki pomiarów.
Astronomowie w dużej mierze omijają ten problem, zamiast tego obserwując stronę egzoplanety ogrzewaną głównie przez gwiazdę w termicznym świetle podczerwonym, tak jak w obecnych badaniach z TRAPPIST-1 b. Jasna strona dzienna jest szczególnie łatwa do zobaczenia tuż przed i po tym, jak planeta znika za gwiazdą. Promieniowanie podczerwone emitowane przez planetę zawiera informacje o jej powierzchni i atmosferze. Takie obserwacje są jednak bardziej czasochłonne niż spektroskopia tranzytowa.
Biorąc pod uwagę potencjał tych tak zwanych pomiarów wtórnego zaćmienia, NASA zatwierdziła niedawno szeroko zakrojony program obserwacji w celu zbadania atmosfer planet skalistych wokół pobliskich gwiazd o niskiej masie. Ten niezwykły program “Rocky Worlds” obejmuje 500 godzin obserwacji za pomocą JWST.
Pewność co do TRAPPIST-1 b
Zespół badawczy oczekuje, że będzie w stanie uzyskać ostateczne potwierdzenie za pomocą innego wariantu obserwacji. Rejestruje on pełną orbitę planety wokół gwiazdy, w tym wszystkie fazy oświetlenia, od ciemnej nocnej strony podczas przechodzenia przed gwiazdą do jasnej strony dziennej na krótko przed i po zakryciu przez gwiazdę. Takie podejście pozwoli zespołowi stworzyć tak zwaną krzywą fazową wskazującą zmiany jasności planety wzdłuż jej orbity. W rezultacie astronomowie będą mogli wydedukować rozkład temperatury na powierzchni planety.
Zespół przeprowadził już takie pomiary na TRAPPIST-1 b. Analizując rozkład ciepła na planecie, można wywnioskować obecność atmosfery. Dzieje się tak, ponieważ atmosfera pomaga transportować ciepło ze strony dziennej na nocną. Jeżeli temperatura zmienia się gwałtownie na przejściu między obiema stronami, oznacza to brak atmosfery.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MPG
