Джеймс Уэбб впервые получил изображения углекислого газа в атмосферах экзопланет
Изображения показывают, что гигантские экзопланеты, вероятно, сформировались подобно Юпитеру и Сатурну
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» совершил прорыв в изучении экзопланет, получив первые прямые изображения углекислого газа в атмосферах планет за пределами Солнечной системы. Эти наблюдения были проведены в системе HR 8799, расположенной на расстоянии 130 световых лет от Земли. Эта многопланетная система долгое время была ключевым объектом для изучения процессов формирования планет, и новые данные предоставили важные доказательства того, что четыре гигантские планеты системы сформировались аналогично Юпитеру и Сатурну — путем медленного наращивания твердых ядер, которые затем притягивали газ. Это открытие подтверждает, что «Джеймс Уэбб» способен не только выводить состав атмосфер экзопланет из анализа звездного света, но и напрямую анализировать их химический состав.
Уильям Балмер, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, возглавлявший исследование, отметил, что обнаружение значительных количеств углекислого газа в атмосферах планет HR 8799 указывает на присутствие тяжелых элементов, таких как углерод, кислород и железо. Это, в свою очередь, подтверждает гипотезу о том, что планеты сформировались путем аккреции ядра — процесса, при котором твердые ядра постепенно накапливают газ из окружающего пространства. Для планет, которые можно непосредственно наблюдать, это является важным шагом в понимании их происхождения.
Наблюдения также охватили систему 51 Эридана, расположенную на расстоянии 96 световых лет от Земли. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.
Система HR 8799 представляет особый интерес для ученых, поскольку она относительно молода — ее возраст составляет около 30 миллионов лет, что значительно меньше возраста Солнечной системы (4,6 миллиарда лет). Планеты в этой системе все еще сохраняют тепло, оставшееся после их бурного формирования, и излучают большое количество инфракрасного света. Это позволяет ученым сравнивать процессы формирования планет с процессами формирования звезд или коричневых карликов.
«Мы надеемся, что с помощью такого рода исследований мы сможем понять нашу Солнечную систему, жизнь и нас самих в сравнении с другими экзопланетными системами, чтобы мы могли контекстуализировать наше существование». — Уильям Балмер астрофизик из Университета Джонса Хопкинса
Существует два основных способа формирования гигантских планет: медленное наращивание твердых ядер с последующим притяжением газа (как в случае Юпитера и Сатурна) или быстрый коллапс из остывающего диска молодой звезды, приводящий к образованию массивных объектов. Понимание того, какой из этих процессов более распространен, может помочь ученым классифицировать типы планет, которые они обнаруживают в других системах.
Балмер подчеркнул, что такие исследования позволяют лучше понять не только другие планетные системы, но и нашу собственную. «Мы хотим сделать фотографии других солнечных систем и увидеть, чем они похожи или отличаются от нашей. Это поможет нам понять, насколько уникальна или, наоборот, типична наша Солнечная система», — сказал он.
Прямые изображения экзопланет получить крайне сложно, поскольку планеты значительно слабее своих звезд. Однако благодаря коронографам Джеймса Уэбба, которые блокируют свет от ярких звезд, ученые смогли обнаружить инфракрасное излучение на определенных длинах волн, что позволило выявить присутствие углекислого газа и других тяжелых элементов в атмосферах планет HR 8799. Это стало возможным благодаря наблюдениям в диапазоне длин волн от 3 до 5 микрометров.
Кроме того, команда впервые обнаружила самую внутреннюю планету системы HR 8799 (HR 8799 e) на длине волны 4,6 микрометра, а также планету 51 Эридана b на длине волны 4,1 микрометра. Это демонстрирует высокую чувствительность телескопа Джеймс Уэбб в наблюдении слабых объектов вблизи ярких звезд.
Ранее, в 2022 году, Джеймс Уэбб уже косвенно обнаружил углекислый газ на экзопланете WASP-39 b, анализируя изменения звездного света при прохождении планеты перед своей звездой. Однако новые наблюдения HR 8799 и 51 Эридана представляют собой первый случай прямого обнаружения углекислого газа в атмосферах экзопланет.
Лоран Пуэйо, астроном из Институт исследований космоса с помощью космического телескопа (STScI), отметил, что новые данные подтверждают гипотезу о том, что планеты HR 8799 сформировались «снизу вверх», то есть путем медленного наращивания твердых ядер. Однако вопрос о том, насколько распространен такой механизм формирования среди других планет, остается открытым. Для ответа на него потребуются дополнительные наблюдения.
Реми Суммер, руководитель Оптической лаборатории в STScI, подчеркнул, что успех этих наблюдений стал результатом многолетней работы по настройке и калибровке инструментов телескопа. Теперь, когда возможности «Джеймса Уэбба» подтверждены, ученые могут приступить к более детальному изучению гигантских планет и их атмосфер.
Ученые также отметили, что гигантские планеты играют важную роль в эволюции планетных систем. Их гравитационное влияние может как нарушать, так и защищать орбиты более мелких планет, подобных Земле. Поэтому понимание процессов формирования гигантских планет является ключевым для изучения обитаемости планет земного типа в других системах.
В целом, открытия, сделанные с помощью «Джеймса Уэбба», открывают новые горизонты в изучении экзопланет и их атмосфер. Они не только углубляют наше понимание процессов формирования планет, но и помогают точно понять место Солнечной системы в космическом масштабе.