Телескоп Джеймс Уэбб предоставит подробности о двух Суперземлях в Млечном Пути
Представьте, если бы Земля была намного ближе к Солнцу. Так близко, что целый год длился бы всего несколько часов. Настолько близко, что гравитация заперла одно полушарие в вечном палящем дневном свете, а другое — в вечной тьме. Так близко, что океаны выкипают, скалы начинают таять, а дождь идет не из воды, а из лавы.
Хотя ничего подобного в нашей Солнечной системе не существует, подобные планеты — каменистые, размером примерно с Землю, очень горячие и близкие к своим звездам — не редкость в галактике Млечный Путь.
Каковы поверхности и атмосферы этих планет на самом деле? Космический телескоп Джеймс Уэбб собирается дать некоторые ответы.
Геология с расстояния 50 световых лет: Уэбб готовится к изучению скалистых миров
Космический телескоп Джеймс Уэбб с идеально выровненными сегментами зеркала и проходящий калибровку научных инструментов находится всего в нескольких неделях от полной эксплуатации. Вскоре после того, как этим летом будут обнародованы первые наблюдения, Уэбб начнет полноценную работу.
В исследования, запланированные на первый год, входят наблюдения двух горячих экзопланет, классифицированных как «суперземли» из-за их размера и каменистого состава: покрытой лавой 55 Cancri e и безвоздушной LHS 3844 b.
Ученые будут «тренировать» высокоточные спектрографы Уэбба на этих планетах, чтобы понять геологическое разнообразие планет по всей галактике, а также эволюцию скалистых планет, таких как Земля.
Супергорячая суперземля 55 Cancri e
Планета 55 Cancri e вращается на расстоянии менее 2,4 миллионов километров от своей солнцеподобной звезды (одна двадцать пятая часть расстояния между Меркурием и Солнцем), совершая один оборот менее чем за 18 часов. Поскольку температура поверхности намного выше точки плавления типичных породообразующих минералов, считается, что дневная сторона планеты покрыта целыми океанами лавы.
Планеты, которые вращаются так близко к своей звезде, считаются заблокированными приливами, причем одна сторона всегда обращена к звезде. В результате самой горячей точкой на планете должна быть та, которая обращена к звезде под прямым углом, а количество тепла, поступающего с дневной стороны, не должно сильно меняться с течением времени.
Но, похоже, это не так. Наблюдения за 55 Cancri e с помощью космического телескопа Спитцер показывают, что самая горячая область смещена от той части, которая обращена к звезде наиболее прямо, в то время как общее количество тепла, обнаруженное с дневной стороны, действительно варьируется.
У 55 Cancri e плотная атмосфера?
Одно из объяснений этих наблюдений состоит в том, что планета имеет динамическую атмосферу, которая перемещает тепло.
«У 55 Cancri e может быть плотная атмосфера, в которой преобладают кислород или азот», — объяснил Реню Ху из Лаборатории реактивного движения НАСА, который возглавляет группу, которая будет использовать камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) для захвата спектра теплового излучения дневной стороны планеты. «Если у нее есть атмосфера, [Уэбб] обладает чувствительностью и диапазоном длин волн, чтобы обнаружить ее и определить, из чего она состоит».
Или это вечерний дождь из лавы на 55 Cancri e?
Другая интригующая возможность, однако, заключается в том, что 55 Cancri e не заперта приливом. Вместо этого она может быть похожа на Меркурий, который совершает три оборота вокруг своей оси за каждые два оборота вокруг Солнца (так называемый резонанс 3:2). В результате планета будет иметь цикл дня и ночи.
«Это может объяснить, почему смещается самая горячая часть планеты», — объяснил Алексис Брандекер, исследователь из Стокгольмского университета, возглавляющий другую группу, изучающую планету. «Как и на Земле, для нагрева поверхности потребуется время. Самое жаркое время дня будет днем, а не прямо в полдень».
Команда Брандекера планирует проверить эту гипотезу, используя NIRCam для измерения тепла, излучаемого освещенной стороной 55 Cancri e на четырех различных орбитах. Если планета имеет резонанс 3:2, они будут наблюдать за каждым полушарием дважды и должны быть в состоянии обнаружить любую разницу между полушариями.
В этом сценарии поверхность будет нагреваться, плавиться и даже испаряться в течение дня, образуя очень тонкую атмосферу, которую Уэбб мог обнаружить. Вечером пар охлаждался бы и конденсировался, образуя капли лавы, которые падали бы обратно на поверхность и снова становились твердыми с наступлением ночи.
Суперземля LHS 3844 b несколько прохладнее
В то время как 55 Cancri e даст представление об экзотической геологии мира, покрытого лавой, LHS 3844 b дает уникальную возможность проанализировать твердую породу на поверхности экзопланеты .
Как и 55 Cancri e, LHS 3844 b вращается очень близко к своей звезде, совершая один оборот за 11 часов. Однако, поскольку ее звезда относительно мала и холодна, планета недостаточно горячая, чтобы ее поверхность могла расплавиться. Кроме того, наблюдения Спитцера показывают, что планета вряд ли имеет существенную атмосферу.
Из чего состоит поверхность LHS 3844 b?
Хотя мы не сможем получить изображение поверхности LHS 3844 b непосредственно с помощью Уэбба, отсутствие затемняющей атмосферы позволяет изучать поверхность с помощью спектроскопии.
Изображение Земли, полученное Климатической обсерваторией глубокого космоса: Земля — это теплая каменистая планета с твердой поверхностью, водными океанами и динамичной атмосферой.
LHS 3844 b — горячая каменистая экзопланета с твердой каменистой поверхностью. Планета слишком горячая для существования океанов и, похоже, не имеет какой-либо существенной атмосферы.
55 Cancri e: 55 Cancri e — каменистая экзопланета, дневная температура которой достаточно высока, чтобы поверхность могла расплавиться. Планета может иметь или не иметь атмосферу.
Изображение Нептуна из «Вояджера-2»: Нептун — холодный ледяной гигант с толстой и плотной атмосферой.
На иллюстрации показаны планеты в масштабе с точки зрения радиуса, но не местоположения в космосе или расстояния от их звезд. В то время как Земля и Нептун вращаются вокруг Солнца, LHS 3844 b вращается вокруг небольшого холодного красного карлика примерно в 49 световых годах от Земли, а 55 Cancri e вращается вокруг похожей на Солнце звезды примерно в 41 световом годе от Земли. Обе находятся очень близко к своим звездам, совершая один оборот менее чем за один земной день.
«Оказывается, разные типы горных пород имеют разные спектры», — объяснила Лаура Крейдберг из Института астрономии Макса Планка. «Вы можете прекрасно видеть, что гранит по цвету светлее базальта. Существуют аналогичные различия в инфракрасном свете, излучаемом камнями».
Астрономы будут использовать MIRI для захвата спектра теплового излучения дневной стороны LHS 3844 b, а затем сравнивать его со спектрами известных горных пород, таких как базальт и гранит, чтобы определить их состав. Если планета вулканически активна, спектр также может показать наличие следовых количеств вулканических газов.
Важность этих наблюдений выходит далеко за рамки двух из более чем 5000 подтвержденных экзопланет в галактике. «Они дадут нам фантастический новый взгляд на похожие на Землю планеты в целом, помогая нам узнать, какой могла быть ранняя Земля, когда она была такой горячей, как эти планеты сегодня», — говорят ученые.
Наблюдения за 55 Cancri e и LHS 3844 b будут проводиться в рамках программы Webb’s Cycle 1 General Observers. Программы General Observers были отобраны на конкурсной основе с использованием двойной анонимной системы обзора, той же системы, которая использовалась для распределения времени на телескопе Хаббл.