Космічний телескоп Джеймс Вебб, запуск якого призначено на 18 грудня 2021 року, вивчить зокрема екзопланети, відомі як суб-Нептуни. Детальні атмосферні дослідження дадуть ключове уявлення про деякі з найбільш загадкових планет, відомих у галактиці.
Чумацький Шлях сповнений загадкових планет розміром більше Землі, але дещо менше Нептуна, які кружляють навколо своїх зірок швидше і ближче, ніж Меркурій обертається навколо Сонця. Що знаходяться на відстані світлових років, приховані димкою або хмарами і не мають аналогів у нашій сонячній системі, точна природа цих планет залишається загадкою. З чого вони складаються? Як вони утворилися? І що вони можуть розповісти нам про планети та планетну еволюцію в цілому?
Володіючи безпрецедентною здатністю вимірювати надзвичайно тонкі відмінності в яскравості і кольорі тьмяного інфрачервоного світла, космічний телескоп НАСА імені Джеймса Вебба призначений для усунення туману, що оточує природу і походження найбільш поширеного типу планет, що спостерігаються в Чумацькому Шляху.
Більше половини зоряних систем, подібних Сонцю, досліджених у Чумацькому Шляху, містять загадкові планети, не схожі на жодну з планет нашої сонячної системи.
Ці планети від теплих до гарячих суб-Нептунів більше, ніж Земля, менше Нептуна і обертаються ближче до своїх зірок, ніж Меркурій, і є найбільш поширеним типом планет, що спостерігаються в галактиці. Але хоча дослідники змогли виміряти їх основні параметри, включаючи розмір, масу і орбіту сотень таких планет, їх фундаментальна природа залишається неясною.
Чи вони є щільними, схожими на Землю кулями з каменю і заліза, вкритими товстими шарами водню і гелію? Чи там менш щільна суміш каменю і льоду, оточена насиченою пором і насиченою водою атмосферою? З обмеженими даними і відсутністю планет аналогічного розміру в нашій сонячній системі, які можна було б використовувати для порівняння, дуже важко відповісти на ці питання.
"Що це за планети? Як вони утворюються? Чому їх немає в нашій сонячній системі? Це фундаментальні питання ", - пояснює Джейкоб Бін, астроном з Чиказького університету, який проводив численні спостереження екзопланет.
Проблема димки
Ключем до з'ясування того, з чого складаються суб-Нептуни і як вони утворилися, є вивчення їхньої атмосфери. Але отримати чітке уявлення про неї дуже складно.
Найефективніший метод аналізу атмосфер екзопланет - метод, відомий як спектроскопія пропускання. Коли планета проходить повз свою зірку, деякі довжини хвиль (кольору) зоряного світла відфільтровуються газами в атмосфері планети. Оскільки кожен тип газу має унікальну «сигнатуру» або набір довжин хвиль, які він поглинає, можна визначити, з чого складається атмосфера, за зразками у спектрі пропускання.
Цей метод виявився успішним для багатьох екзопланет, але не для більшості суб-Нептунів. «Було дуже мало атмосферних спостережень планет під Нептуном», - пояснює Еліза Кемптон, яка спеціалізується на теоретичному моделюванні атмосфер екзопланет. «І більшість з них були незадовільними, оскільки спектри не виявили багатьох спектральних характеристик, які дозволили б нам ідентифікувати гази в атмосфері».
Схоже, що проблема полягає в аерозолях, крихітних частинках і краплях, що утворюють хмари або серпанок. Ці частинки розсіюють зоряне світло, розмиваючи спектральні піки до тонких хвиль і роблячи спектр практично марним з точки зору визначення складу газів.
Але дослідники впевнені, що зможуть отримати набагато більш чітке уявлення про суб-Нептунах за допомогою нового телескопа. Дві програми спостережень, очолювані Біном і Кемптон і заплановані на перший рік роботи Джеймса Вебба. Вони будуть використовувати унікальні потужні можливості телескопа для дослідження двох планет розміром з суб-Нептун: GJ 1214 b, архетип суб-Нептуна; і TOI-421b, більш недавнє відкриття.
Архетип суб-Нептуна: GJ 1214 b
GJ 1214 b, теплий суб-Нептун, що обертається навколо сусідньої зірки - червоного карлика, був предметом десятків досліджень. Його короткий орбітальний період, великий розмір порівняно з його зіркою і порівняльна близькість до Землі роблять його легким (як екзопланети) для ефективних спостережень, в той час як його статус еталонного суб-Нептуна - і, за словами Джейкоба Біна, «найбільш загадкової екзопланети», - робить його гідним об'єктом вивчення.
Астрономи будуть використовувати прилад середнього інфрачервоного діапазону (MIRI) Вебба, щоб майже безперервно спостерігати за системою GJ 1214 протягом майже 50 годин, поки планета здійснює трохи більше одного повного обігу по орбіті. Потім вони проаналізують дані трьома різними способами, щоб звузити можливі комбінації газів і аерозолів, які становлять атмосферу GJ 1214 b.
Спектроскопія пропускання: якщо таких молекул, як вода, метан або аміак, багато, вони повинні бути очевидні в спектрі пропускання. Середнє інфрачервоне світло не повинно розсіюватися аерозолями так само, як видиме і ближнє інфрачервоне світло.
Теплова емісійна спектроскопія: світло в середньому інфрачервоному діапазоні, випромінюваний самою планетою, надасть інформацію про температуру і відбивальну здатність планети, на які впливає атмосфера. Наприклад, планета, оточена темною, закопченою, що поглинає світло димкою, буде теплішою, ніж планета, вкрита яскравими відбиваючими хмарами.
Температурне відображення фазової кривої: хоча Вебб не зможе спостерігати GJ 1214 b безпосередньо (планета знаходиться занадто близько до своєї зірки), він досить чутливий, щоб виміряти дуже тонкі зміни в загальній кількості світла від системи, коли планета рухається по орбіті навколо зірки. Дослідники будуть використовувати фазову криву GJ 1214 b, графік залежності яскравості від фази (тобто, яка частина денного боку планети звернена до телескопа), щоб зіставити середню температуру планети з довготою. Це надасть додаткову інформацію про циркуляцію і склад атмосфери.
Гарячий суб-Нептун TOI-421 b
Неясно, з чого складаються аерозолі, що оточують теплі суб-Нептуни, такі як GJ 1214 b, але вони можуть бути схожі на ті, які утворюють серпанок, схожий на смог, на супутнику Сатурна Титане. Щоб перевірити цю гіпотезу, дослідники вирішили націлитися на TOI-421 b, планету, яка за розміром і щільністю схожа на GJ 1214 b, але вважається занадто гарячою для існування сажистого туману.
Джеймс Вебб буде спостерігати TOI-421b двічі, коли він буде проходити повз свою зірку, один раз за допомогою NIRISS, а потім за допомогою спектрографа в ближньому інфрачервоному діапазоні (NIRSpec), щоб отримати повний спектр передачі ближнього інфрачервоного діапазону. Якщо гіпотеза верна і небо TOI-421 b чисте, спектр можна використовувати для вимірювання вмісту таких молекул, як вода, метан і вуглекислий газ. Якщо з'ясується, що у TOI-421b все-таки є проблема з аерозолем, команда вчених буде використовувати ці дані, щоб краще зрозуміти, з чого складаються аерозолі.
Астрономи впевнені, що, досліджуючи атмосфери різними способами за допомогою Вебба, вони нарешті почнуть розуміти не тільки ці два конкретних об'єкти, але і цілий клас планет. Залишилося почекати зовсім небагато.
Спостереження GJ 1214 b за допомогою MIRI і спостереження TOI-421 b за допомогою NIRISS і NIRSpec будуть проводитися в рамках програми загальних спостерігачів циклу 1. Програми General Observers були відібрані на конкурсній основі з використанням системи подвійного анонімного огляду, тієї ж самої системи, яка використовувалася для розподілу часу на телескопі Хаббл.
