На снимках JWST/MIRI видна только точка света. Тем не менее, первоначальный анализ предполагает наличие газообразной планеты, которая может иметь свойства, подобные Юпитеру. Кредит: T. Müller (MPIA/HdA)
Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), группа астрономов под руководством MPIA сфотографировала новую экзопланету, которая вращается вокруг звезды в близлежащей тройной системе Эпсилон Инди. Планета представляет собой холодный супер-Юпитер с температурой около 0 градусов по Цельсию и широкой орбитой, сравнимой с орбитой Нептуна вокруг Солнца.
Это измерение стало возможным только благодаря беспрецедентным возможностям JWST по получению изображений в тепловом инфракрасном диапазоне. Это пример потенциала обнаружения еще многих планет, похожих на Юпитер по массе, температуре и орбите. Их изучение улучшит наши знания о том, как формируются и развиваются газовые гиганты с течением времени.
«Мы были взволнованы, когда поняли, что получили изображение этой новой планеты», — сказала Элизабет Мэтьюз, исследователь из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Она является основным автором базовой исследовательской статьи, опубликованной в журнале Nature.
«К нашему удивлению, яркое пятно, появившееся на наших снимках MIRI, не соответствовало положению, которое мы ожидали для планеты», — отмечает Мэтьюз. «Предыдущие исследования правильно идентифицировали планету в этой системе, но недооценили массу и орбитальное разделение этого газового гиганта супер-Юпитера». С помощью JWST команда смогла прояснить ситуацию.
Это обнаружение довольно необычно в нескольких отношениях. Оно показывает первую экзопланету, сфотографированную с помощью JWST, которая еще не была сфотографирована с Земли и которая намного холоднее газовых планет, изученных JWST до сих пор. «Изображение» означает, что планета выглядит как яркая точка на снимках и, таким образом, представляет собой прямое доказательство. Методы транзита и лучевой скорости являются косвенными доказательствами, поскольку планета проявляет себя только через свой опосредованный эффект.
Наблюдения JWST обновляют предыдущие измерения
Планета вращается вокруг главного компонента близлежащей тройной звездной системы, Эпсилон Индостан, или сокращенно Eps Ind. Астрономические соглашения по маркировке присваивают метку Eps Ind A этой главной звезде, красной карликовой звезде, немного меньшей и более холодной, чем Солнце. Для составления названия планеты добавляется «b», в результате чего получается обозначение Eps Ind Ab.
Новые данные JWST согласуются с супер-Юпитером, имеющим массу в шесть раз больше массы Юпитера в Солнечной системе. Eps Ind Ab вращается вокруг своей родительской звезды по эксцентричной эллиптической орбите, максимальное расстояние от которой до Eps Ind A должно составлять от 20 до 40 астрономических единиц.
Одна астрономическая единица — это среднее расстояние между Землей и Солнцем, приблизительно 150 миллионов километров. Новые значения значительно отличаются от более ранних исследований, поэтому команда решила назвать это «новой» планетой.
Холодные планеты, горячая наука
На сегодняшний день известно лишь несколько холодных газовых гигантских планет, вращающихся вокруг звезд солнечного возраста, и все они были выведены косвенно из измерений лучевой скорости. С помощью визуализации и получения спектров планет астрономы могут изучать их атмосферы и отслеживать эволюцию планетных систем по сравнению с вычислительными моделями.
Изучение планет в полностью сформировавшихся планетарных системах помогает прояснить неясные моменты, касающиеся поздних стадий эволюции планет, и уточнить наше общее понимание формирования и эволюции планет.
Недавние наблюдения прокладывают путь к обнаружению еще большего количества таких холодных газовых гигантов. Это позволит астрономам изучать новый класс экзопланет и сравнивать их с газовыми гигантами Солнечной системы.
На вставках показаны обрезанные версии изображений MIRI, полученных на средних инфракрасных длинах волн 10,65 (слева) и 15,55 микрометров (справа), которые изображают область вокруг звезды Eps Ind A, положение которой обозначено символами звезд. Коронограф блокирует свет звезды, который затмил бы оба изображения. Вместо этого в верхнем левом углу становится виден новый объект. Этим источником является экзопланета Eps Ind Ab. Фон был получен из обзора неба AllWISE. Кредит: T. Müller (MPIA/HdA), E. Matthews (MPIA)
Как обнаружить холодные газовые планеты
Однако эти планеты трудно обнаружить с помощью классических методов обнаружения. Планеты, удаленные от своих звезд-хозяев, обычно очень холодные, в отличие от горячих юпитеров, которые вращаются вокруг своих звезд на расстоянии всего нескольких звездных радиусов. Широкие орбиты вряд ли будут выровнены вдоль линии визирования для получения транзитного сигнала. Кроме того, измерение их сигналов методом лучевой скорости является сложной задачей, когда можно отслеживать только небольшую часть орбиты.
Ранее были предприняты попытки изучить гигантскую планету, вращающуюся вокруг Eps Ind A, используя измерения лучевой скорости. Однако экстраполяция небольшой части орбиты привела к неверным выводам о свойствах планеты. В конце концов, Eps Ind Ab требуется около 200 лет, чтобы совершить один оборот вокруг своей звезды. Наблюдений в течение нескольких лет недостаточно для определения орбиты с высокой точностью.
Поэтому команда Мэтьюса разработала другой подход. Они хотели сделать снимок известной планеты, используя метод, обычно известный как прямая съемка. Поскольку звезды-хозяева экзопланет настолько яркие, что они затмевают любой другой близкий объект. Обычные камеры были бы подавлены ослепительным звездным светом.
По этой причине команда использовала камеру MIRI (Mid-Infrared Instrument) JWST, оснащенную коронографом. Эта светонепроницаемая маска закрывает звезду, как искусственное затмение. Еще одним преимуществом является близость Eps Ind к Земле, которая составляет всего 12 световых лет. Чем меньше расстояние до звезды, тем больше расстояние между двумя объектами на изображении, что обеспечивает большую вероятность смягчения помех от родительской звезды. MIRI был идеальным выбором, поскольку он ведет наблюдения в тепловом или среднем инфракрасном диапазоне, где холодные объекты ярко светят.
Что мы знаем об Eps Ind Ab?
«Мы обнаружили в наших данных сигнал, который не соответствовал ожидаемой экзопланете», — говорит Мэтьюз. Точка света на изображении не находилась в предсказанном месте. «Но планета все равно казалась гигантской планетой», — добавляет Мэтьюз. Однако, прежде чем сделать такую оценку, астрономам пришлось исключить, что сигнал исходил от фонового источника, не связанного с Eps Ind A.
«Всегда трудно быть уверенным, но, судя по данным, маловероятно, что сигнал исходит от внегалактического фонового источника», — объясняет Лейндерт Бугаард, другой ученый MPIA и соавтор исследовательской статьи.
Действительно, просматривая астрономические базы данных для других наблюдений Eps Ind, команда наткнулась на данные изображений 2019 года, полученные с помощью инфракрасной камеры VISIR, прикрепленной к Очень Большому Телескопу (VLT) Европейской Южной Обсерватории (ESO). После повторного анализа изображений команда обнаружила слабый объект именно в том месте, где он должен был находиться, если источник, полученный с помощью JWST, принадлежал звезде Eps Ind A.
Ученые также попытались понять атмосферу экзопланеты на основе имеющихся изображений планеты в трех цветах: двух с JWST/MIRI и одного с VLT/VISIR. Eps Ind Ab слабее, чем ожидалось, на коротких волнах. Это может указывать на значительное количество тяжелых элементов, в частности углерода, который строит молекулы, такие как метан, углекислый газ и оксид углерода, обычно встречающиеся на газовых гигантах. С другой стороны, это может указывать на то, что у планеты облачная атмосфера. Однако для окончательного вывода необходимо провести больше работы.
Планы и перспективы
Эта работа — лишь первый шаг на пути к характеристике Eps Ind Ab. «Наша следующая цель — получить спектры, которые дадут нам подробную картину климатологии и химического состава планеты», — говорит Томас Хеннинг, почетный директор MPIA, соруководитель прибора MIRI и соавтор основной статьи.
«В долгосрочной перспективе мы надеемся также наблюдать за другими близлежащими планетными системами, чтобы охотиться за холодными газовыми гигантами, которые могли ускользнуть от обнаружения», — говорит Мэтьюз. «Такое исследование послужит основой для лучшего понимания того, как формируются и развиваются газовые планеты».
Информация от: Обществом Макса Планка
