Międzynarodowy zespół naukowców użył danych zebranych przez JWST do zmierzenia temperatury na skalistej egzoplanecie TRAPPIST-1b. Do tego celu posłużyła mu energia cieplna planety, zaobserwowana w podczerwieni przez instrument MIRI. Według pomiarów dzienna strona planety ma około 500 Kelwinów (ponad 200 stopni Celsjusza) i prawdopodobnie nie ma wyraźnej atmosfery.
Była to pierwsza w historii obserwacja jakiegokolwiek światła pochodzącego bezpośrednio od egzoplanety tak małej i chłodnej jak planety w naszym Układzie Słonecznym. Jest to bardzo ważny krok na drodze do odkrycia, czy planety orbitujące wokół małych, aktywnych gwiazd podobnych do TRAPPIST-1 mogą mieć atmosferę potrzebną do utrzymania życia na powierzchni. To odkrycie oznacza też, że jesteśmy w stanie przy pomocy Webba scharakteryzować podobne do Ziemi egzoplanety za pomocą MIRI.
Takie obserwacje nie były możliwe przed wysłaniem na orbitę Webba. Żaden z poprzednich teleskopów nie miał tak czułych instrumentów badających średnią podczerwień.
Skaliste światy krążące wokół chłodnych czerwonych karłów
W 2017 roku astronomowie odkryli siedem planet skalistych orbitujących wokół chłodnego czerwonego karła około 40 lat świetlnych od Ziemi. Układ wyróżnia to, że wszystkie siedem jego planet jest podobnej wielkości co planety wewnętrzne Układu Słonecznego. Pomimo że wszystkie siedem znajduje się znacznie bliżej swojej gwiazdy niż znane nam planety – wszystkie byłyby w stanie z łatwością zmieścić się między Merkurym a Słońcem – dostają od swojej maleńkiej gwiazdy podobną ilość energii, co my.
TRAPPIST-1b, planeta znajdująca się najbliżej gwiazdy, orbituje wokół swojego słońca w odległości 100 razy mniejszej niż orbita Ziemi i dostaje od niej około czterech razy więcej energii niż my. Choć planeta nie znajduje się w ekosferze, obserwacja może nam dostarczyć ważne informacje o jej siostrzanych planetach, a także innych systemach planetarnych podobnych do TRAPPIST-1.
W Drodze Mlecznej znajduje się około dziesięciu razy więcej czerwonych karłów niż gwiazd podobnych do Słońca. Oprócz tego gwiazdy podobne do TRAPPIST-1 mają dwa razy większe szanse na posiadanie systemu planetarnego, w którym są planety skaliste. Są też bardziej aktywne; w młodości są bardzo jasne i wytwarzają tyle promieniowania rentgenowskiego, że mogą z łatwością zniszczyć atmosferę planety. Ich planety są jednak znacznie łatwiejsze do obserwacji. Układ TRAPPIST-1 jest świetnym obiektem doświadczalnym, który może nam pomóc zrozumieć tego typu układy.
W poszukiwaniu atmosfery
Wcześniejsze obserwacje systemu TRAPPIST-1b przy pomocy Hubble’a I Spitzera nie wykazały istnienia szeroko rozciągającej się atmosfery, ale nie były w stanie wykluczyć istnienia gęstej warstwy gazu. Jedną z możliwych metod wyeliminowania jej istnienia jest pomiar temperatury. Jedna strona planety jest stale zwrócona do gwiazdy, przez co teoretyczna atmosfera musiałaby stale przemieszczać się, aby rozdystrybuować ciepło na całej planecie, przez co strona dzienna byłaby chłodniejsza, niż gdyby atmosfery nie było.
Naukowcy użyli do swojego pomiaru fotometrii zaćmienia wtórnego – instrument MIRI zmierzył różnicę w jasności systemu, kiedy planeta znalazła się za gwiazdą. Choć TRAPPIST-1b nie jest wystarczająco gorąca, aby emitować światło, wytwarza promieniowanie podczerwone. Poprzez odjęcie jasności samej gwiazdy, zmierzonej w trakcie zaćmienia wtórnego, od jasności układu wraz z planetą, naukowcy byli w stanie zmierzyć, ile planeta wytwarza promieniowania.
Powyższa grafika pokazuje porównanie temperatury Ziemi („Earth measured”), oraz dwóch modeli, od lewej: gdyby atmosfera przenosiła ciepło na drugą stronę planety, gdyby nie było atmosfery, a powierzchnia byłaby ciemna, a także, najbardziej na prawo, temperaturę dziennej strony Merkurego.
Jak zmierzyć minimalne zmiany jasności?
Samo zaobserwowanie zaćmienia wtórnego jest dużym osiągnięciem. Gwiazda jest ponad tysiąc razy jaśniejsza, niż planeta, więc zmiana jasności zaszła na poziomie zaledwie 0,1%.
Zespół analizował dane zebrane w trakcie pięciu różnych zaćmień. Porównano zebrane informacje z modelami komputerowymi pokazującymi, jak wyglądałaby temperatura w różnych przypadkach. Rezultat był prawie idealnym odwzorowaniem ciała skalistego bez atmosfery. Nie zauważono także, aby jakiekolwiek światło było absorbowane przez dwutlenek węgla, co byłoby jasno widoczne w pomiarach.
Badania były przeprowadzone w ramach programu 1177, który jest jednym z ośmiu programów, które posłużą do pełnego scharakteryzowania systemu TRAPPIST-1. Aktualnie prowadzone są kolejne obserwacje zaćmień wtórnych, których zadaniem będzie obserwacja pełnej krzywej jasności w trakcie jednej pełnej orbity. Umożliwi to obserwację, jak zmienia się temperatura na stronie dziennej I nocnej I potwierdzenie, czy planeta ma atmosferę, czy nie.
Na powyższym grafie przedstawiono zmiany natężenia światła w zależności od położenia planety TRAPPIST-1b. Czerwone kropki to średnia jasność zaobserwowana w czasie około 10 minut, a nad wykresem widać przedstawienie sytuacji: planeta najpierw jest widoczna, następnie chowa się za gwiazdą i znowu wraca do naszego pola widzenia.
Korekta – Matylda Kołomyjec
