Концепция этого художника показывает, как могла бы выглядеть экзопланета 55 Cancri e. 55 Cancri e, также называемая Янссен, представляет собой так называемую супер-Землю, каменистую планету, значительно большую, чем Земля, но меньшую, чем Нептун, которая вращается вокруг своей звезды на расстоянии всего 1,4 миллиона миль (0,015 астрономических единиц), совершая один полный оборот. менее чем за 18 часов. Наблюдения с помощью NIRCam и MIRI JWST позволяют предположить, что планета может быть окружена атмосферой, богатой углекислым газом (CO2) или окисью углерода (CO). Поскольку планета расположена так близко к своей звезде, она очень горячая и считается, что она покрыта расплавленной породой. Исследователи полагают, что газы, составляющие атмосферу, могли выйти из магмы. Фото: Бернский университет, Швейцария.
Исследователи с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA, возможно, обнаружили атмосферу вокруг 55 Cancri e, каменистой экзопланеты в 41 световом году от Земли. На сегодняшний день это лучшее доказательство существования каменистой атмосферы планеты за пределами нашей Солнечной системы. Брайс-Оливье Демори, профессор астрофизики Бернского университета и член Национального центра компетенции в области исследований (NCCR) PlanetS, был частью международной исследовательской группы, которая только что опубликовала результаты в журнале Nature.
55 Cancri e — одна из пяти известных планет, вращающихся вокруг солнцеподобной звезды в созвездии Рака. Имея диаметр почти в два раза больше земного и немного большую плотность, планета классифицируется как суперземля: больше Земли, меньше Нептуна и по составу похожа на скалистые планеты нашей Солнечной системы.
Соавтором исследования является Брайс-Оливье Демори из Центра космоса и обитаемости CSH Бернского университета и член NCCR PlanetS. Он говорит: «55 Cancri e — одна из самых загадочных экзопланет. Несмотря на огромное количество времени наблюдений, полученное с помощью дюжины наземных и космических объектов за последнее десятилетие, сама ее природа оставалась неуловимой до сегодняшнего дня, когда части загадки наконец удалось собрать благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST)».
Неожиданно эти наблюдения показывают, что горячая и сильно облученная каменистая планета может поддерживать газообразную атмосферу, и это служит хорошим предзнаменованием для способности JWST охарактеризовать более холодные — потенциально обитаемые — каменистые планеты, вращающиеся вокруг солнцеподобных звезд.
Группу возглавил Ренью Ху из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL). «JWST действительно расширяет границы описания экзопланет до скалистых экзопланет», — сказал Ху. «Это действительно открывает возможности для нового типа науки».
Бернский космический телескоп CHEOPS сделал важные выводы
Демори был приглашен на исследовательскую программу Ху, который был одним из его коллег, когда он работал в Массачусетском технологическом институте (MIT). Демори изучает 55 Cancri e с самого начала своей карьеры. «В качестве постдока в Массачусетском технологическом институте я руководил открытием первого транзита 55 Cancri e, а в 2016 году моя команда опубликовала первую карту каменистой экзопланеты 55 Cancri e». Результат 2016 года уже намекал на возможное наличие атмосферы около 55 Cancri e.
Для текущего исследования Демори провел независимый анализ набора данных JWST. Он объясняет: «За последние два года космический телескоп CHEOPS, который был разработан и построен в Бернском университете, сыграл ключевую роль в решении нескольких вопросов, возникших у астрофизиков в отношении 55 Cancri e. JWST дополнил эту картину в инфракрасных волнах, показав что суперЗемля 55 Cancri e может быть окружена атмосферой, состав которой соответствует угарному или двуокисью углерода».
Спектр теплового излучения, полученный камерой NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) JWST в ноябре 2022 года и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) в марте 2023 года, показывает яркость (ось Y) различных длин волн инфракрасного света (ось X), излучаемого Экзопланета-суперземля 55 Cancri e. Спектр показывает, что планета может быть окружена атмосферой, богатой углекислым газом или окисью углерода и другими летучими веществами, а не только испаренной породой. На графике сравниваются данные, собранные NIRCam (оранжевые точки) и MIRI (фиолетовые точки), с двумя разными моделями. Модель А, выделенная красным, показывает, как должен выглядеть спектр излучения 55 Cancri e, если у нее есть атмосфера, состоящая из испаренной породы. Модель B, выделенная синим цветом, показывает, как должен выглядеть спектр выбросов, если на планете есть богатая летучими веществами атмосфера, выделяемая из океана магмы, которая имеет такое же содержание летучих веществ, как и мантия Земли. Данные MIRI и NIRCam согласуются с моделью с высоким содержанием летучих веществ. Авторы и права: Иллюстрация: НАСА, ЕКА, ККА, Ральф Кроуфорд (STScI). Наука: Ренью Ху (Лаборатория реактивного движения), Аарон Белло-Аруфе (Лаборатория реактивного движения), Диана Драгомир (Университет Нью-Мексико).
Супер-горячая супер-Земля, но все еще холоднее, чем ожидалось
Хотя 55 Cancri e по составу похожа на каменистые планеты нашей солнечной системы, описание ее как «каменистой» может оставить неправильное впечатление. Планета вращается так близко к своей звезде (полный оборот вокруг нее длится 18 часов по сравнению с 365 днями нашей Земли), что ее поверхность должна быть расплавленной — глубокий бурлящий океан магмы. При такой узкой орбите планета, скорее всего, будет заперта приливно-отливным потоком: дневная сторона всегда обращена к звезде, а ночная сторона находится в вечной темноте. «Планета настолько горячая, что часть расплавленной породы должна испариться», — объяснил Ху.
Хотя JWST не может получить прямое изображение 55 Cancri e, он может измерять тонкие изменения в свете системы, когда планета вращается вокруг звезды. Команда использовала JWST NIRCam (камеру ближнего инфракрасного диапазона) и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) для измерения инфракрасного света, исходящего от планеты.
Вычитая яркость во время вторичного затмения, когда планета находится за звездой (только звездный свет), из яркости, когда планета находится прямо рядом со звездой (совместный свет звезды и планеты), команда смогла вычислить величину инфракрасного света, исходящего с дневной стороны планеты на нескольких длинах волн одновременно.
Первое указание на то, что 55 Cancri e может иметь существенную атмосферу, было получено в результате измерений температуры, основанных на ее тепловом излучении, или тепловой энергии, выделяемой в виде инфракрасного света. Если планета покрыта темной расплавленной породой с тонкой завесой из испаренной породы или вообще не имеет атмосферы, температура на дневной стороне должна быть около 2200 градусов по Цельсию.
«Вместо этого данные MIRI показали относительно низкую температуру — около 1500 градусов по Цельсию», — сказал Ху. «Это очень убедительный признак того, что энергия распространяется с дневной стороны на ночную, скорее всего, через богатую летучими веществами атмосферу».
Хотя потоки лавы могут переносить некоторое количество тепла на ночную сторону, они не могут перемещать его достаточно эффективно, чтобы объяснить охлаждающий эффект. На самом деле дневная сторона выглядит на несколько сотен градусов прохладнее, чем должна была бы, даже если тепло распределяется по планете равномерно. Это имеет смысл, если часть инфракрасного света, излучаемого поверхностью, поглощается атмосферой и никогда не достигает телескопа.
Бурлящий океан магмы
Команда считает, что газы, покрывающие 55 Cancri e, выходят изнутри. Первичная атмосфера давно бы исчезла из-за высокой температуры и интенсивного излучения звезды.
Это будет вторичная атмосфера, которая постоянно пополняется океаном магмы. Магма – это не только кристаллы и жидкая порода, в ней также много растворенного газа.
Хотя 55 Cancri e слишком горячая, чтобы быть пригодной для жизни, она может стать уникальным окном для изучения взаимодействий между атмосферами, поверхностями и недрами скалистых планет и, возможно, дать представление о ранней Земле, Венере и Марсе, которые, как полагают, в далеком прошлом были покрыты океанами магмы. «В конечном итоге мы хотим понять, какие условия позволяют каменистой планете поддерживать богатую газом атмосферу: ключевой ингредиент обитаемой планеты», — сказал Ху.
Информация от: Бернским университетом
