Телескоп Джеймс Уэбб впервые в истории измерил температуру скалистой экзопланеты
Международная группа исследователей использовала космический телескоп Джеймс Уэбб для измерения температуры скалистой экзопланеты TRAPPIST-1 b. Измерение основано на тепловом излучении планеты: тепловой энергии, выделяемой в виде инфракрасного света, обнаруженного прибором среднего инфракрасного диапазона Уэбба (MIRI).
Результат показывает, что дневная сторона планеты имеет температуру около 500 Кельвинов (примерно 230 °C), и предполагает, что у нее нет существенной атмосферы. Это первое обнаружение любой формы света, излучаемого экзопланетой, столь же маленькой и такой же холодной, как скалистые планеты в нашей Солнечной системе.
Результат знаменует собой важный шаг в определении того, могут ли планеты, вращающиеся вокруг небольших активных звезд, таких как TRAPPIST-1, иметь атмосферу, необходимую для поддержания жизни. Это также служит хорошим предзнаменованием для способности Уэбба охарактеризовать экзопланеты размером с Землю с умеренным климатом, используя MIRI.
Скалистые планеты, вращающиеся вокруг красных карликов
В начале 2017 года астрономы сообщили об открытии семи скалистых планет, вращающихся вокруг ультрахолодного красного карлика (или М-карлика) в 40 световых годах от Земли.
Что примечательно в планетах, так это их сходство по размеру и массе с внутренними скалистыми планетами нашей Солнечной системы. Хотя все они вращаются гораздо ближе к своей звезде, чем любая из планет вращается вокруг Солнца — все они могли бы удобно разместиться внутри орбиты Меркурия — они получают сопоставимое количество энергии от своей небольшой звезды.
TRAPPIST-1 b, самая внутренняя планета, имеет орбитальное расстояние примерно в одну сотую от земного и получает примерно в четыре раза больше энергии, чем Земля получает от Солнца. Хотя она не находится в обитаемой зоне системы, наблюдения за планетой могут предоставить важную информацию о ее родственных планетах, а также о других М-карликовых системах.
«Таких звезд в Млечном Пути в десять раз больше, чем таких звезд, как Солнце, и у них в два раза больше каменистых планет, чем у звезд, подобных Солнцу», — объясняют ученые. «Но они также очень активны — они очень яркие, когда молоды, и испускают вспышки и рентгеновские лучи, которые могут уничтожить атмосферу».
Шкала температур указана в кельвинах и градусах по Фаренгейту и колеблется от 0 кельвинов (минус 459 градусов по Фаренгейту, -272,7 °C) слева до 800 кельвинов (980 градусов по Фаренгейту справа, 526 °C).
Планеты нанесены по температурной шкале при следующих температурах: Земля при 290 кельвинах (60 градусов по Фаренгейту, 15,5°C); TRAPPIST-1 b при температуре около 500 кельвинов и 445 градусов по Фаренгейту (229 °C); «Меркурий при температуре 700 кельвинов (800 градусов по Фаренгейту, 426 °C). TRAPPIST-1 b Модель с атмосферой построена при температуре 400 кельвинов (260 градусов по Фаренгейту, 126 °C); TRAPPIST-1 b Модель без атмосферы построена при температуре около 510 кельвинов и 455 градусов по Фаренгейту( 235 °C). TRAPPIST-1 b — измерения нанесены почти при той же температуре, что и TRAPPIST-1 b модель без атмосферы. © NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Поиск атмосферы
Предыдущие наблюдения TRAPPIST-1 b с помощью космического телескопа Хаббл, а также космического телескопа Спитцер не обнаружили никаких доказательств существования атмосферы, но и не смогли исключить ее наличие.
Один из способов уменьшить неопределенность — измерить температуру планеты. «Эта планета заблокирована приливами, одна сторона которой постоянно обращена к звезде, а другая находится в постоянной темноте», — сказал Пьер-Оливье Лагаж из ESA, соавтор исследования. «Если у нее есть атмосфера для циркуляции и перераспределения тепла, дневная сторона будет холоднее, чем если бы атмосферы не было».
Команда использовала технику, называемую фотометрией вторичного затмения, в которой MIRI измеряла изменение яркости системы по мере того, как планета двигалась за звездой. Хотя TRAPPIST-1 b недостаточно горячий, чтобы излучать видимый свет, он излучает инфракрасное излучение. Вычитая яркость звезды отдельно (во время вторичного затмения) из яркости звезды и планеты вместе взятых, ученые смогли успешно рассчитать, сколько инфракрасного света испускает планета.
Обнаружение Уэббом вторичного затмения само по себе является важной вехой. У звезды более чем в 1000 раз ярче планеты изменение яркости составляет менее 0,1%.
Анализ данных пяти отдельных наблюдений вторичных затмений показывает, что TRAPPIST-1 b имеет дневную температуру около 500 Кельвинов, или примерно 230°C. Ученые считают, что наиболее вероятной интерпретацией является то, что у планеты нет атмосферы.
В верхней части инфографики показана планета, движущаяся за своей звездой (вторичное затмение). Ниже приведен график, показывающий изменение яркости 15-микронного света, излучаемого системой звезда-планета, в течение 3,5 часов.
Диаграмма и график выровнены по вертикали, чтобы показать взаимосвязь между геометрией системы звезда-планета по мере вращения планеты и измерениями на графике. На инфографике видно, что яркость системы заметно уменьшается по мере движения планеты за звездой. © NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
«Мы сравнили результаты с компьютерными моделями, показывающими, какой должна быть температура в различных сценариях», — говорят ученые. «Результаты почти идеально согласуются с черным телом, состоящим из голой скалы и без атмосферы для циркуляции тепла. Мы также не видели никаких признаков поглощения света углекислым газом, которые были бы очевидны в этих измерениях».
Это исследование было проведено в рамках программы гарантированного наблюдения (GTO) 1177, которая является одной из восьми утвержденных программ GTO и General Observer (GO), разработанных для того, чтобы помочь полностью охарактеризовать систему TRAPPIST-1.
В настоящее время проводятся дополнительные наблюдения за вторичным затмением TRAPPIST-1 b, и теперь, когда астрономы знают, насколько хорошими могут быть данные, они надеются в конечном итоге получить полную фазовую кривую, показывающую изменение яркости по всей орбите. Это позволит им увидеть, как температура меняется от дневной к ночной, и подтвердить, есть ли у планеты атмосфера или нет.