Художественное изображение теплой экзопланеты WASP-80 b, цвет которой может показаться человеческому глазу голубоватым из-за отсутствия высотных облаков и присутствия метана в атмосфере, обнаруженного космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, похожего на планеты Уран и Нептун на фотографии. наша собственная солнечная система. Изображение предоставлено: НАСА.
Космический телескоп Джеймса Уэбба наблюдал экзопланету WASP-80 b, когда она проходила перед и позади своей родительской звезды, обнаруживая спектры, указывающие на атмосферу, содержащую метан и водяной пар. Хотя на сегодняшний день водяной пар был обнаружен более чем на дюжине планет, до недавнего времени метан — молекула, обнаруженная в изобилии в атмосферах Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна в нашей Солнечной системе — оставался неуловимым в атмосферах транзитных экзопланет. при изучении с помощью космической спектроскопии.
Тейлор Белл из Института экологических исследований области залива (BAERI), работающий в Исследовательском центре Эймса НАСА в Силиконовой долине Калифорнии, и Луис Уэлбанкс из Университета штата Аризона рассказывают нам больше о значении открытия метана в атмосферах экзопланет и обсуждают, как наблюдения Уэбба способствовали идентификация этой долгожданной молекулы. Эти результаты были недавно опубликованы в журнале Nature.
«При температуре около 825 Кельвинов (около 1025 градусов по Фаренгейту) WASP-80 b представляет собой то, что ученые называют «теплым Юпитером». Это планеты, которые по размеру и массе аналогичны планете Юпитер в нашей Солнечной системе, но имеют температура находится между температурой горячих Юпитеров, таких как HD 209458 b с температурой 1450 К (2150 F) (первая обнаруженная транзитная экзопланета), и холодных Юпитеров, таких как наш собственный, температура которого составляет около 125 К (235 F)».
«WASP-80 b вращается вокруг своего красного карлика один раз в три дня и расположена на расстоянии 163 световых лет от нас в созвездии Орла. Поскольку планета находится так близко к своей звезде и обе они так далеки от нас, мы можем «Я не вижу планету напрямую даже с помощью самых современных телескопов, таких как Уэбб. Вместо этого исследователи изучают комбинированный свет звезды и планеты, используя метод транзита (который использовался для открытия большинства известных экзопланет) и метод затмения».
«Используя транзитный метод, мы наблюдали за системой, когда планета двигалась перед своей звездой с нашей точки зрения, в результате чего видимый нами звездный свет немного тускнел. Это похоже на то, когда кто-то проходит перед лампой, и свет тускнеет. .»
«В это время тонкое кольцо атмосферы планеты вокруг границы дня и ночи планеты освещается звездой, и при определенных цветах света, когда молекулы в атмосфере планеты поглощают свет, атмосфера выглядит толще и блокирует больше звездного света». , вызывая более глубокое затемнение по сравнению с другими длинами волн, при которых атмосфера кажется прозрачной. Этот метод помогает учёным, таким как мы, понять, из чего состоит атмосфера планеты, видя, какие цвета света блокируются».
«Тем временем, используя метод затмения, мы наблюдали за системой, когда планета проходила за своей звездой с нашей точки зрения, вызывая еще одно небольшое падение общего количества получаемого нами света. Все объекты излучают некоторое количество света, называемое тепловым излучением, с интенсивностью и цветом излучаемый свет зависит от того, насколько горяч объект».
«Незадолго до и после затмения горячая дневная сторона планеты направлена к нам, и, измерив падение освещенности во время затмения, мы смогли измерить инфракрасный свет, излучаемый планетой. Для спектров затмения поглощение молекулами в Атмосфера планеты обычно проявляется в уменьшении излучаемого планетой света на определенных длинах волн. Кроме того, поскольку планета намного меньше и холоднее, чем ее родительская звезда, глубина затмения намного меньше, чем глубина транзита».
Измеренный спектр транзита (вверху) и спектр затмения (внизу) WASP-80 b в режиме бесщелевой спектроскопии NIRCam на космическом телескопе Джеймса Уэбба НАСА. В обоих спектрах есть явное свидетельство поглощения воды и метана, вклад которых обозначен цветными контурами. Во время транзита планета проходит перед звездой, и в транзитном спектре присутствие молекул заставляет атмосферу планеты блокировать больше света определенных цветов, вызывая более глубокое затемнение на этих длинах волн. Во время затмения планета проходит за звездой, и в этом спектре затмения молекулы поглощают часть излучаемого планетой света определенных цветов, что приводит к меньшему падению яркости во время затмения по сравнению с транзитом. Изображение предоставлено: BAERI/NASA/Taylor Bell.
«Первоначальные наблюдения, которые мы сделали, необходимо было преобразовать в то, что мы называем спектром; по сути, это измерение, показывающее, сколько света либо блокируется, либо излучается атмосферой планеты при разных цветах (или длинах волн). Существует множество различных инструментов, чтобы преобразовывать необработанные наблюдения в полезные спектры, поэтому мы использовали два разных подхода, чтобы убедиться, что наши результаты устойчивы к различным предположениям».
«Затем мы интерпретировали этот спектр, используя два типа моделей, чтобы смоделировать, как будет выглядеть атмосфера планеты в таких экстремальных условиях. Первый тип модели является полностью гибким, он пробует миллионы комбинаций содержания метана и воды и температур, чтобы найти комбинация, которая лучше всего соответствует нашим данным. Второй тип, называемый «самосогласованными моделями», также исследует миллионы комбинаций, но использует наши существующие знания в области физики и химии для определения ожидаемых уровней метана и воды».
«Оба типа моделей пришли к одному и тому же выводу: окончательное обнаружение метана».
«Чтобы подтвердить наши выводы, мы использовали надежные статистические методы для оценки вероятности того, что наше обнаружение представляет собой случайный шум. В нашей области мы считаем «золотым стандартом» нечто, называемое «обнаружением 5 сигм», что означает вероятность обнаружения вызваны случайным шумом, составляют 1 на 1,7 миллиона. Между тем, мы обнаружили метан с 6,1 сигмами как в спектрах транзита, так и в спектрах затмения, что устанавливает вероятность ложного обнаружения в каждом наблюдении на уровне 1 на 942 миллиона, что превышает 5 сигм. «золотой стандарт» и укрепление нашей уверенности в обоих обнаружениях».
«Благодаря такому уверенному обнаружению мы не только нашли очень неуловимую молекулу, но теперь можем начать исследовать, что этот химический состав говорит нам о рождении, росте и эволюции планеты. Например, измеряя количество метана и воды на планете мы можем сделать вывод о соотношении атомов углерода и атомов кислорода».
«Ожидается, что это соотношение будет меняться в зависимости от того, где и когда в их системе образуются планеты. Таким образом, изучение этого соотношения углерода и кислорода может дать подсказку о том, сформировалась ли планета близко к своей звезде или дальше, прежде чем постепенно двигаться внутрь».
«Еще одна вещь, которая нас воодушевляет в этом открытии, — это возможность, наконец, сравнить планеты за пределами нашей Солнечной системы с теми, что находятся в ней. У НАСА есть история отправки космических кораблей к газовым гигантам в нашей Солнечной системе для измерения количества метана и других газов. Теперь, проведя измерения того же газа на экзопланете, мы можем начать проводить сравнение «яблоки с яблоками» и посмотреть, совпадают ли ожидания от Солнечной системы с тем, что мы видим за ее пределами. »
«Наконец, когда мы смотрим на будущие открытия с Уэббом, этот результат показывает нам, что мы находимся на пороге более интересных открытий. Дополнительные наблюдения MIRI и NIRCam за WASP-80 b с Уэббом позволят нам исследовать свойства атмосферы на планете Уэбб. «Различные длины волн света. Наши результаты заставляют нас думать, что мы сможем наблюдать другие богатые углеродом молекулы, такие как окись углерода и углекислый газ, что позволит нам нарисовать более полную картину условий в атмосфере этой планеты».
«Кроме того, поскольку мы находим метан и другие газы на экзопланетах, мы продолжим расширять наши знания о том, как химия и физика работают в условиях, отличающихся от тех, что есть на Земле, и, возможно, когда-нибудь в ближайшее время, на других планетах, которые напоминают нам о том, что мы имеем». здесь, дома. Ясно одно: путешествие космического телескопа Джеймса Уэбба полно потенциальных сюрпризов».
