Фото: НАСА/Взгляд на экзопланеты.
Команда астрономов, включая профессора Макгилла Николаса Коуэна, разгадала загадочную атмосферу экзопланеты HAT-P-18 b, проливая свет на ее интригующую смесь газов, облаков и даже на последствия активности ее звезды.
Экзопланеты, планеты, расположенные за пределами нашей Солнечной системы, очаровывают как ученых, так и общественность, обещая открыть разнообразные планетные системы и потенциально обитаемые миры. Несмотря на то, что большие газовые планеты-гиганты, обнаруженные очень близко к своим звездам, очень не похожи на нашу Землю, они оказались идеальными испытательными объектами для таких телескопов, как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), с целью усовершенствования астрономических методов понимания экзопланет.
Одной из таких планет является HAT-P-18 b, планета типа «горячего Сатурна», расположенная на расстоянии более 500 световых лет от нас, с массой, аналогичной массе Сатурна, но размером ближе к массе более крупного Юпитера. Это придает экзопланете раздутую атмосферу, которая особенно идеальна для анализа.
Под руководством исследователей из Института исследований экзопланет Тротье при Университете Макгилла и Университета Монреаля (UdeM) группа астрономов использовала возможности революционного телескопа Уэбба для изучения HAT-P-18 b. Их результаты, подробно описанные в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества» (MNRAS), дают исчерпывающую картину атмосферы горячего Сатурна, одновременно углубляясь в сложности различения атмосферных сигналов от звездной активности.
«Космический телескоп Джеймса Уэбба обеспечивает настолько точные наблюдения за экзопланетами, что мы ограничены в понимании их звезд-хозяев. К счастью, те же самые данные – особенно с помощью канадского инструмента NIRISS – позволяют нам измерить, что делает звезда во время наши наблюдения и внести в них поправки, чтобы мы могли точно выяснить, что находится в атмосферах этих планет», — сказал Николас Коуэн, профессор кафедры наук о Земле и планетах Университета Макгилла.
Проходя над пятнистой звездой
Наблюдения с телескопа Уэбб были сделаны, когда экзопланета HAT-P-18 b проходила перед солнцеподобной звездой. Этот момент называется транзитом и имеет решающее значение для обнаружения и дальнейшей характеристики экзопланеты на расстоянии сотен световых лет с удивительной точностью. Астрономы не наблюдают свет, излучаемый непосредственно далекой планетой. Скорее, они изучают, как свет центральной звезды блокируется и влияет на нее планетой, вращающейся вокруг нее.
Таким образом, охотникам за экзопланетами предстоит решить проблему разделения сигналов, вызванных присутствием планеты, и сигналов, вызванных собственными свойствами звезды. Как и наше Солнце, звезды не имеют однородной поверхности.
Они могут иметь темные звездные пятна и яркие области, создавая сигналы, имитирующие атмосферные атрибуты планеты. Недавнее исследование экзопланеты TRAPPIST-1 b и ее звезды TRAPPIST-1 под руководством доктора философии UdeM. Студентка Оливия Лим стала свидетельницей извержения или вспышки на поверхности звезды, что повлияло на их наблюдения.
В случае с планетой HAT-P-18 b Уэбб поймал экзопланету прямо в тот момент, когда она проходила над темным пятном на своей звезде HAT-P-18. Это называется событием точечного перехода, и его эффект был очевиден в данных, собранных для исследования. Команда также сообщила о наличии множества других звездных пятен на поверхности HAT-P-18 b, которые не были заблокированы экзопланетой.
Чтобы точно определить состав атмосферы экзопланеты, исследователи решили, что необходимо одновременно смоделировать планетарную атмосферу, а также особенности звезды. Они заявляют, что такое рассмотрение будет иметь решающее значение при обработке будущих наблюдений экзопланет с помощью JWST, чтобы полностью использовать их потенциал.
Кривая блеска показывает светимость или яркость звезды с течением времени. Когда экзопланета проходит над звездой (так называемый транзит), экзопланета блокирует часть света звезды. В результате светимость звезды уменьшается. Когда звездное пятно затмевается на поверхности звезды или когда экзопланета проходит над темным пятном, астрономы могут видеть сигнал на кривой блеска в виде небольшого выступа в нижней части транзитной кривой блеска. Фото: arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2310.14950
H2O, CO2 и облака в палящей атмосфере
После тщательного моделирования экзопланеты и звезды в системе HAT-P-18 команда астрономов провела тщательное исследование состава атмосферы HAT-P-18 b.
Изучая свет, который фильтруется через атмосферу экзопланеты, когда она проходит мимо своей звезды, исследователи обнаружили присутствие водяного пара (H2O) и углекислого газа (CO2). Исследователи также обнаружили возможное присутствие натрия.
Интриги к полученным выводам добавило то, что команда заметила явные признаки облачного покрова в атмосфере HAT-P-18 b, который, по-видимому, заглушает сигналы многих его молекул. Они также пришли к выводу, что поверхность звезды покрыта множеством темных пятен, которые могут существенно повлиять на интерпретацию данных.
Более ранний анализ тех же данных JWST, проведенный командой из Университета Джона Хопкинса, также выявил четкое обнаружение воды и CO2, но также сообщил об обнаружении мелких частиц на больших высотах, называемых дымкой, и обнаружил намеки на метан (CH4).
Работа астрономов Монреальского университета, в которой впервые были рассмотрены характеристики поверхности звезд с атмосферой планеты, выявила иную картину. Обнаружение CH4 не было подтверждено, а определенное содержание воды оказалось в десять раз ниже, чем было обнаружено ранее.
Они также обнаружили, что обнаружение дымки в предыдущем исследовании могло быть вызвано звездными пятнами на поверхности звезды, что подчеркивает важность рассмотрения звезды в анализе.
Хотя такие молекулы, как вода, углекислый газ и метан, можно интерпретировать как биосигнатуры или признаки жизни, в определенных соотношениях или в сочетании с другими молекулами, палящие температуры HAT-P-18 b, близкие к 600 градусам Цельсия, не сулят ничего хорошего. обитаемость планеты.
Данные JWST, используемые в этом исследовании, были собраны канадским инструментом NIRISS (ближний инфракрасный сканер и безщелевой спектрограф), который предоставил астрономам беспрецедентную способность отличать многие атмосферные характеристики HAT-P-18 b от одних. другой.
Результаты показывают, что наблюдения, проводимые в диапазоне от дальнего видимого до ближнего инфракрасного диапазона в диапазоне длин волн инструмента NIRISS, необходимы для распутывания сигналов от атмосферы планеты и звезды. Будущие наблюдения с помощью другого инструмента JWST, спектрографа ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec), помогут уточнить результаты команды, такие как обнаружение CO2, и прольют еще больше света на тонкости этой горячей экзопланеты Сатурна.
Информация от: Университетом Макгилла
