JWST напрямую сфотографировал свою первую экзопланету, умеренный суперюпитер всего в 12 световых годах от Земли. Это может быть самая старая и холодная планета из когда-либо обнаруженных.
Планета вращается вокруг звезды Эпсилон Инди A (Eps Ind A,) — звезды K-типа, примерно того же возраста, что и наше Солнце. Эпсилон Инди — это тройная звездная система, а два других члена — коричневые карлики. Экзопланета называется Эпсилон Инди Ab (Eps Ind Ab.)
Обнаружение Eps Ind Ab представлено в статье, опубликованной в Nature. Ее название — «Умеренный супер-Юпитер, полученный с помощью JWST в среднем инфракрасном диапазоне». Ведущий автор — Элизабет Мэтьюз, постдок в Отделе планет и звездообразования в Институте астрономии Макса Планка в Германии.
Это новое обнаружение важно по нескольким причинам. Подавляющее большинство из 5000+ экзопланет, которые мы обнаружили, были обнаружены транзитным методом. Другие были обнаружены методом лучевой скорости. Сравнительно немногие были напрямую сфотографированы, как Eps Ind Ab.
Уже были намеки на то, что вокруг Eps Ind A вращается массивная планета. Предыдущая работа с использованием метода лучевой скорости обнаружила характерное колебание, вызванное в звезде массивной планетой, вращающейся вокруг нее. Теперь JWST подтвердил наличие планеты.
«Наши предыдущие наблюдения этой системы были более косвенными измерениями звезды, что фактически позволило нам заранее увидеть, что в этой системе, вероятно, есть гигантская планета, которая тянет звезду», — сказала член команды Кэролайн Морли из Техасского университета в Остине. «Вот почему наша команда выбрала эту систему для первых наблюдений с Уэббом».
Прямые изображения экзопланет трудно получить. Ослепительный свет звезды вымывает относительно тусклый свет, исходящий от планеты. Телескопы, такие как JWST, используют коронографы, чтобы устранить звездный свет и позволить планетарному свету пройти. В этом случае космический телескоп сфотографировал экзопланету, используя свой инструмент коронографической визуализации в среднем инфракрасном диапазоне (MIRI).
Прямое изображение Eps Ind Ab, полученное телескопом JWST, выявило некоторые сюрпризы по сравнению с более ранними измерениями лучевой скорости.
«Хотя мы ожидали увидеть планету в этой системе, поскольку были признаки ее присутствия в лучевой скорости, планета, которую мы обнаружили, не такая, как мы предсказывали», — поделился Мэтьюз. «Она примерно в два раза массивнее, находится немного дальше от своей звезды и имеет другую орбиту, чем мы ожидали. Причина этого расхождения остается открытым вопросом».
Eps Ind Ab примерно в 6 раз массивнее Юпитера, а его большая полуось составляет около 28 а. е. Наклонена примерно на 103 градуса.
«Атмосфера планеты также, по-видимому, немного отличается от прогнозов модели», — добавил Мэтьюз. «Пока у нас есть только несколько фотометрических измерений атмосферы, а это значит, что трудно делать выводы, но планета слабее, чем ожидалось, на более коротких длинах волн».
Eps Ind Ab больше похожа на Юпитер, чем любая другая когда-либо сфотографированная экзопланета, хотя она немного теплее и в несколько раз массивнее. Другие сфотографированные экзопланеты, как правило, горячее и все еще излучают тепло от своего формирования. Их тепло делает их более заметными в инфракрасном диапазоне. По мере того, как планеты, подобные этой, стареют, они, как правило, сжимаются и остывают. По мере того, как они становятся холоднее, их становится сложнее сфотографировать напрямую.
По мере того, как планеты стареют и остывают, длина волны их излучения меняется, из-за чего их становится сложнее увидеть. Большинство других планет, которые можно увидеть напрямую, намного моложе Eps Ind Ab — все они моложе 500 миллионов лет. Но JWST уникально подходит для обнаружения более старых экзопланет.
«Холодные планеты очень слабые, и большая часть их излучения находится в среднем инфракрасном диапазоне», — пояснил Мэтьюз. «Webb идеально подходит для проведения съемки в среднем инфракрасном диапазоне, что крайне сложно сделать с Земли. Нам также требовалось хорошее пространственное разрешение, чтобы разделить планету и звезду на наших изображениях, и большое зеркало Webb чрезвычайно полезно в этом аспекте».
Многие из обнаруженных нами экзопланет размером с Юпитер — горячие юпитеры. Эти газовые гиганты легко обнаруживаются с помощью транзитного метода, поскольку они вращаются так близко к своим звездам, что делает их горячими. Они также обычно приливно заблокированы, что означает, что их дневные стороны могут достигать экстремальных температур. У одного горячего юпитера, KELT-9b, температура дневной стороны превышает 7800 градусов по Фаренгейту (4600 Кельвинов), что горячее, чем у большинства звезд.
Но Eps Ind Ab отличается. С приблизительной температурой 35 градусов по Фаренгейту (2 градуса по Цельсию) это одна из самых холодных экзопланет, обнаруженных напрямую. Это самая холодная экзопланета, когда-либо полученная прямыми снимками, и она всего на 180 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) теплее газовых гигантов нашей Солнечной системы. Она больше похожа на планеты в нашей системе и дает астрономам возможность изучать атмосферы аналогов Солнечной системы.
Атмосфера планеты не совсем соответствует нашим ожиданиям. «Атмосфера планеты также, по-видимому, немного отличается от модельных прогнозов. Пока у нас есть только несколько фотометрических измерений атмосферы, а это значит, что трудно делать выводы, но планета слабее, чем ожидалось, на более коротких длинах волн», — сказал Мэтьюз.
Он может быть слабее на этих длинах волн NIR, потому что атмосфера облачная. Или это может быть потому, что он содержит такие соединения, как CH4 (метан), CO и CO2 которые поглощают более короткие длины волн ИК-света.
Слабость Eps Ind Ab на этих длинах волн намекает на высокое отношение углерода к кислороду. Высокое отношение C/O является важным индикатором того, как образовалась и развивалась планета. Это говорит о том, что диск, в котором образовалась планета, был богат углеродом. Это подсказка о том, где именно образовалась планета и мигрировала ли она.
Высокий уровень углерода также позволяет использовать больше углеродсодержащих молекул, таких как CH4Колорадо2 и CO для образования. Поскольку CO2 и метан являются парниковыми газами, высокое соотношение C/O влияет на климат планеты.
Высокие соотношения C/O также влияют на формирование облаков, что может повысить альбедо планеты. Более высокое альбедо отражает больше солнечного света от планеты, что также влияет на климат.
Eps Ind Ab демонстрирует высокую металличность. Высокая металличность указывает на большую массу и предполагает более эффективный процесс формирования, поскольку планета могла бы привлечь больше массы быстрее. Это также может повлиять на то, как планета могла мигрировать через диск.
Исследователи задаются вопросом, есть ли у других холодных экзопланет такие же характеристики. Но сначала им нужно лучше ограничить эти характеристики в Eps Ind Ab. Это первоначальное обнаружение и визуализация — только начало. Будущая спектроскопия и дальнейшая визуализация раскроют больше подробностей о планете.
Тот факт, что Eps Ind Ab находится в группе с двумя коричневыми карликами, также является возможностью для более интересных наблюдений. «Система также движется вместе с широко разделенным двойным коричневым карликом, что делает ее особенно ценной лабораторией для сравнительных исследований субзвездных объектов с общим возрастом и местом формирования», — пишут авторы в своей статье. Граница между массивными газовыми гигантами и коричневыми карликами не всегда ясна, и астрономы стремятся узнать больше о том, как формируется каждый тип, особенно в одной системе друг с другом.
Это исследование также иллюстрирует эффективность использования предыдущих результатов с других телескопов для выбора целей для JWST. «Хотя обнаруженная планета не соответствует ранее заявленным свойствам экзопланеты, долгосрочная информация о RV дала четкий указатель на ценность визуализации этой цели», — объясняют авторы.
К счастью, экзопланета является прекрасным кандидатом для дальнейших наблюдений.
Они приходят к выводу, что «яркий поток и широкое разделение Eps Ind Ab означают, что планета идеально подходит для спектроскопической характеризации, что позволяет более точно определить металличность и соотношение углерода и кислорода».
