Космический телескоп «Джеймс Уэбб» получил первые прямые изображения углекислого газа на планете за пределами Солнечной системы в HR 8799 — многопланетной системе, расположенной на расстоянии 130 световых лет от нас, которая долгое время была ключевой целью для исследований формирования планет.
Наблюдения убедительно доказывают, что четыре гигантские планеты системы сформировались почти так же, как Юпитер и Сатурн, — путём постепенного формирования твёрдых ядер. Они также подтверждают, что «Уэбб» может не только определять состав атмосферы по измерениям звёздного света, но и напрямую анализировать химический состав атмосфер экзопланет.
«Обнаружив эти сильные признаки наличия углекислого газа, мы показали, что в атмосферах этих планет присутствует значительная доля более тяжёлых элементов, таких как углерод, кислород и железо. Учитывая то, что мы знаем о звезде, вокруг которой они вращаются, это, вероятно, указывает на то, что они образовались путём аккреции ядра, что для планет, которые мы можем наблюдать напрямую, является захватывающим выводом», — сказал Уильям Балмер, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, который руководил работой.
Анализ наблюдений, в которые также входила система 51 Эридана, находящаяся на расстоянии 96 световых лет, опубликован в «Астрофизическом журнале».
HR 8799 — молодая система, которой около 30 миллионов лет, что составляет лишь малую часть от 4,6 миллиарда лет нашей Солнечной системы. Планеты HR 8799, всё ещё горячие после бурного формирования, излучают большое количество инфракрасного света, что даёт учёным ценные данные о том, как их формирование отличается от формирования звёзд или коричневых карликов.
Планеты-гиганты могут формироваться двумя способами: либо медленно наращивая твёрдое ядро, которое притягивает газ, как в нашей Солнечной системе, либо быстро превращаясь из охлаждающегося диска молодой звезды в массивные объекты. Знание того, какая модель более распространена, может помочь учёным различать типы планет, которые они находят в других системах.
«Мы надеемся, что благодаря такого рода исследованиям мы сможем понять нашу Солнечную систему, жизнь и самих себя в сравнении с другими экзопланетными системами, чтобы мы могли понять контекст нашего существования, — сказал Балмер. — Мы хотим сделать снимки других солнечных систем и посмотреть, похожи они на нашу или отличаются от неё. Тогда мы сможем понять, насколько наша Солнечная система странная или нормальная».
Очень немногие экзопланеты были сфотографированы напрямую, так как далёкие планеты во много тысяч раз тусклее своих звёзд. Снимая прямые изображения на определённых длинах волн, доступных только с помощью «Уэбба», команда прокладывает путь для более детальных наблюдений, чтобы определить, являются ли объекты, которые они видят на орбитах других звёзд, действительно гигантскими планетами или такими объектами, как коричневые карлики, которые формируются как звёзды, но не накапливают достаточно массы, чтобы запустить термоядерный синтез.
«У нас есть и другие доказательства, указывающие на то, что эти четыре планеты HR 8799 сформировались с помощью этого подхода «снизу вверх», — сказал Лоран Пуэйо, астроном из Института науки о космическом телескопе, который был одним из руководителей работы. «Насколько это характерно для долгопериодических планет, которые мы можем наблюдать напрямую? Мы пока не знаем, но мы предлагаем провести дополнительные наблюдения с помощью «Уэбба», опираясь на нашу диагностику углекислого газа, чтобы ответить на этот вопрос.»
Это достижение стало возможным благодаря коронографам Уэбба, которые блокируют свет ярких звёзд, как это происходит во время солнечного затмения, и позволяют увидеть скрытые миры. Это позволило команде исследователей искать инфракрасный свет на длинах волн, которые выявляют определённые газы и другие детали атмосферы.
Изучив диапазон длин волн от 3 до 5 микрометров, команда обнаружила, что четыре планеты HR 8799 содержат больше тяжёлых элементов, чем считалось ранее. Это ещё один признак того, что они сформировались так же, как газовые гиганты нашей Солнечной системы. Наблюдения также позволили впервые обнаружить самую близкую к звезде планету HR 8799 e на длине волны 4,6 микрометра и 51 Эридана b на длине волны 4,1 микрометра, продемонстрировав чувствительность «Уэбба» при наблюдении за тусклыми планетами вблизи ярких звёзд.
В 2022 году один из ключевых методов наблюдения Уэбба косвенно обнаружил углекислый газ на другой экзопланете, называемой WASP-39 b, отслеживая, как её атмосфера влияет на звёздный свет, когда планета проходит перед своей звездой.
«Это то, что учёные делали для транзитных планет или изолированных коричневых карликов с момента запуска JWST», — сказал Пуэйо.
Реми Соммер, который руководит оптической лабораторией в Институте науки о космическом телескопе и ранее руководил работой коронографа «Уэбба», добавил: «Мы знали, что JWST может измерять цвета внешних планет в системах, которые можно наблюдать напрямую. Мы 10 лет ждали подтверждения того, что наши тщательно отлаженные операции с телескопом также позволят нам получить доступ к внутренним планетам. Теперь результаты получены, и мы можем проводить с его помощью интересные научные исследования».
Команда надеется использовать коронографы Уэбба для анализа других планет-гигантов и сравнения их состава с теоретическими моделями.
«Эти гигантские планеты имеют довольно большое значение, — сказал Балмер. — Если эти огромные планеты, словно шары для боулинга, пролетают через вашу солнечную систему, они могут либо сильно разрушать, либо защищать, либо и то, и другое, такие планеты, как наша, поэтому понимание того, как они формируются, является важным шагом на пути к пониманию формирования, выживания и пригодности для жизни планет, подобных Земле, в будущем».
Среди других авторов - Йенс Каммерер из Европейской южной обсерватории; Маршалл Д. Перрен, Жюльен Х. Жирар, Роланд П. ван дер Марел, Джефф А. Валенти, Джошуа Д. Лотрингер, Килан К. В. Хох и Реми Суммер из Научного института космического телескопа; Джаррон М. Лейзенринг из Университета Аризоны; Келлен Лоусон из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА; Генри Деннен из Колледжа Амхерст; Чарльз А. Бейхман из Института экзопланетных исследований НАСА; Джеффри Брайден, Хорхе Льоп - Сэйсон из Лаборатории реактивного движения; Николь К. Льюис из Корнеллского университета; Матильда Малин из Университета Джонса Хопкинса; Изабель Реболидо, Эмили Рикман из Европейского космического агентства; Марк Клэмпин из штаб-квартиры НАСА; и К. Мэтт Маунтин из Ассоциации университетов по исследованиям в области астрономии.
Источник истории:
Материалы, предоставленные Университетом Джонса Хопкинса. Оригинал, написанный Роберто Моларом Канданосой. Примечание: контент может быть отредактирован с учетом стиля и объема.