Космический телескоп Джеймс Уэбб изучит самые загадочные планеты Галактики

Космический телескоп Джеймс Уэбб, запуск которого назначен на 18 декабря 2021 года, изучит в том числе экзопланеты, известные как суб-Нептуны. Подробные атмосферные исследования дадут ключевое представление о некоторых из самых загадочных планет, известных в галактике.

Млечный Путь полон загадочных планет размером больше Земли, но несколько меньше Нептуна, которые кружат вокруг своих звезд быстрее и ближе, чем Меркурий вращается вокруг Солнца. Находящиеся на расстоянии световых лет, скрытые дымкой или облаками и не имеющие аналогов в нашей солнечной системе, точная природа этих планет остается загадкой. Из чего они состоят? Как они образовались? И что они могут рассказать нам о планетах и ​​планетной эволюции в целом?

Обладая беспрецедентной способностью измерять чрезвычайно тонкие различия в яркости и цвете тусклого инфракрасного света, космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба предназначен для устранения тумана, окружающего природу и происхождение наиболее распространенного типа планет, наблюдаемых в Млечном Пути.

Более половины звездных систем, подобных Солнцу, исследованных в Млечном Пути, содержат загадочные планеты, не похожие ни на одну из планет нашей солнечной системы.

Эти планеты от теплых до горячих суб-Нептунов больше, чем Земля, меньше Нептуна и вращаются ближе к своим звездам, чем Меркурий, и являются наиболее распространенным типом планет, наблюдаемых в галактике. Но хотя исследователи смогли измерить их основные параметры, включая размер, массу и орбиту сотен таких планет, их фундаментальная природа остается неясной.

Являются ли они плотными, похожими на Землю шарами из камня и железа, покрытыми толстыми слоями водорода и гелия? Или там менее плотная смесь камня и льда, окруженная насыщенной паром и насыщенной водой атмосферой? С ограниченными данными и отсутствием планет аналогичного размера в нашей солнечной системе, которые можно было бы использовать для сравнения, очень трудно ответить на эти вопросы.

«Что это за планеты? Как они образуются? Почему их нет в нашей солнечной системе? Это фундаментальные вопросы», — объясняет Джейкоб Бин, астроном из Чикагского университета, проводивший многочисленные наблюдения экзопланет.

Проблема дымки

Ключом к выяснению того, из чего состоят суб-Нептуны и как они образовались, является изучение их атмосферы. Но получить четкое представление о ней очень сложно.

Самый эффективный метод анализа атмосфер экзопланет — метод, известный как спектроскопия пропускания. Когда планета проходит мимо своей звезды, некоторые длины волн (цвета) звездного света отфильтровываются газами в атмосфере планеты. Поскольку каждый тип газа имеет уникальную «сигнатуру» или набор длин волн, которые он поглощает, можно определить, из чего состоит атмосфера, по образцам в спектре пропускания.

Этот метод оказался успешным для многих экзопланет, но не для большинства суб-Нептунов. «Было очень мало атмосферных наблюдений планет под Нептуном», — объясняет Элиза Кемптон, которая специализируется на теоретическом моделировании атмосфер экзопланет. «И большинство из них были неудовлетворительными, поскольку спектры не выявили многих спектральных характеристик, которые позволили бы нам идентифицировать газы в атмосфере».

Похоже, что проблема заключается в аэрозолях, крошечных частицах и каплях, образующих облака или дымку. Эти частицы рассеивают звездный свет, размывая выступающие спектральные пики до тонких волн и делая спектр практически бесполезным с точки зрения определения состава газов.

Но исследователи уверены, что смогут получить гораздо более четкое представление о суб-Нептунах с помощью нового телескопа. Две программы наблюдений, возглавляемые Бином и Кемптон и запланированные на первый год работы Джеймса Уэбба. Они будут использовать уникальные мощные возможности телескопа для исследования двух планет размером с суб-Нептун: GJ 1214 b, архетип суб-Нептуна; и TOI-421b, более недавнее открытие.

Архетип суб-Нептуна: GJ 1214 b

GJ 1214 b, теплый суб-Нептун, вращающийся вокруг соседней звезды — красного карлика, был предметом десятков исследований. Его короткий орбитальный период, большой размер по сравнению с его звездой и сравнительная близость к Земле делают его легким (как экзопланеты) для эффективных наблюдений, в то время как его статус эталонного суб-Нептуна — и, по словам Джейкоба Бина, «самой загадочной экзопланеты», — делает его достойным объектом изучения.

Астрономы будут использовать прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) Уэбба, чтобы почти непрерывно наблюдать за системой GJ 1214 в течение почти 50 часов, пока планета совершает немногим более одного полного обращения по орбите. Затем они проанализируют данные тремя различными способами, чтобы сузить возможные комбинации газов и аэрозолей, которые составляют атмосферу GJ 1214 b.

Спектроскопия пропускания: если таких молекул, как вода, метан или аммиак, много, они должны быть очевидны в спектре пропускания. Средний инфракрасный свет не должен рассеиваться аэрозолями так же, как видимый и ближний инфракрасный свет.

Тепловая эмиссионная спектроскопия: свет в среднем инфракрасном диапазоне, излучаемый самой планетой, предоставит информацию о температуре и отражательной способности планеты, на которые влияет атмосфера. Например, планета, окруженная темной, закопченной, поглощающей свет дымкой, будет теплее, чем планета, покрытая яркими отражающими облаками.

Температурное отображение фазовой кривой: хотя Уэбб не сможет наблюдать GJ 1214 b напрямую (планета находится слишком близко к своей звезде), он достаточно чувствителен, чтобы измерить очень тонкие изменения в общем количестве света от системы, когда планета движется по орбите вокруг звезды. Исследователи будут использовать фазовую кривую GJ 1214 b, график зависимости яркости от фазы (то есть, какая часть дневной стороны планеты обращена к телескопу), чтобы сопоставить среднюю температуру планеты с долготой. Это предоставит дополнительную информацию о циркуляции и составе атмосферы.

Горячий суб-Нептун TOI-421 b

Неясно, из чего состоят аэрозоли, окружающие теплые суб-Нептуны, такие как GJ 1214 b, но они могут быть похожи на те, которые образуют дымку, похожую на смог, на спутнике Сатурна Титане. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи решили нацелиться на TOI-421 b, планету, которая по размеру и плотности похожа на GJ 1214 b, но считается слишком горячей для существования сажистого тумана.

Джеймс Уэбб будет наблюдать TOI-421b дважды, когда он будет проходить мимо своей звезды, один раз с помощью NIRISS, а затем с помощью спектрографа в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRSpec), чтобы получить полный спектр передачи ближнего инфракрасного диапазона. Если гипотеза верна и небо TOI-421 b чистое, спектр можно использовать для измерения содержания таких молекул, как вода, метан и углекислый газ. Если выяснится, что у TOI-421b все-таки есть проблема с аэрозолем, команда ученых будет использовать эти данные, чтобы лучше понять, из чего состоят аэрозоли.

Астрономы уверены, что, исследуя атмосферы различными способами с помощью Уэбба, они наконец начнут понимать не только эти два конкретных объекта, но и целый класс планет. Осталось подождать совсем немного.

Наблюдения GJ 1214 b с помощью MIRI и наблюдения TOI-421 b с помощью NIRISS и NIRSpec будут проводиться в рамках программы общих наблюдателей цикла 1. Программы General Observers были отобраны на конкурсной основе с использованием системы двойного анонимного обзора, той же самой системы, которая использовалась для распределения времени на телескопе Хаббл.