8 Minutės
NASA James Webb kosminis teleskopas pateikė stipriausius iki šiol surinktus įrodymus, kad maža, itin karšta uolinė egzoplaneta — TOI-561 b — yra apsupta reikšmingos atmosferos virš globalaus magma vandenyno. Šis atradimas kvestionuoja nusistovėjusias prielaidas apie tai, kaip mažos planetos išgyvena ekstreminę žvaigždžių radiaciją ir suteikia naują perspektyvą į planetas, formavusiasis ankstyvoje mūsų galaktikos istorijoje. Tai taip pat plečia mūsų supratimą apie egzoplanetų evoliuciją, vidinę chemiją ir atmosferos išlikimo mechanizmus ekstremaliomis sąlygomis.
Kaip neįprastai vėsi dienos pusė atskleidė paslėptą atmosferą
TOI-561 b priskiriama prie ultra-trumpo periodo super-Žemių: ji yra apie 1,4 karto didesnė už Žemės spindulį ir užbaigia orbitą per mažiau nei 11 valandų. Jos orbita veda planetą į atstumą mažesnį nei viena milijoninė mylios nuo Saulės tipo žvaigždės — tai maždaug 1/40 dalis atstumo tarp Merkurijaus ir Saulės — todėl dienos pusė įkaista iki tūkstančių laipsnių. Atsižvelgiant į tokį intensyvų apšviestumą ir terminį krūvį, įprasta nuomonė tikėjosi, kad planeta bus nuogas akmuo ar iškaitusi lava, neturinti galimybės išsaugoti atmosferos prieš žvaigždės išspinduliuotą energiją.
Vis dėlto stebėjimai, atlikti Webb teleskopo arti-infraraudonųjų spindulių spektrografo NIRSpec, atskleidė kitokį vaizdą. Matuodami sistemos arti-infraraudonąją spindesį, kai TOI-561 b užleidžia žvaigždę (antrinės užtemimo metu), mokslininkai galėjo įvertinti dienos pusių temperatūrą. Jei planeta būtų nuogas lavos pasaulis be atmosferos, jos dienos pusė turėtų pasiekti maždaug 2 700 °C (apie 4 900 °F). Vietoj to Webb užfiksavo netikėtai vėsesnę dienos pusę — maždaug 1 800 °C (apie 3 200 °F).
Šis neatitikimas tarp prognozuotos ir stebėtos temperatūros rodo, kad veikti turi papildoma sritis arba sluoksnis. Paprasčiausias paaiškinimas, suderinamas su turimais duomenimis, yra storas, lakiųjų junginių turintis atmosferos sluoksnis, kuris skirsto šilumą po visą planetą ir dalinai sugeria arti-infraraudonąją emisiją nuo karštos magminės paviršiaus. Tokia atmosfera galėtų reikšmingai pakeisti planetos išvaizdą infraraudonajame spektre ir lemti mažesnį stebimą spindesį.
Ši meninė koncepcija vaizduoja, kaip atrodytų tanki atmosfera virš didžiulio magma vandenyno egzoplanetoje TOI-561 b. NASA James Webb kosminio teleskopo dienos pusės šviesos matavimai rodo, kad, nepaisant intensyvios žvaigždės spinduliuotės, TOI-561 b greičiau nėra nuogas akmuo. Šie stebėjimai prisideda prie astronomijos srities, tiriant ekstremalias egzoplanetų atmosferas ir magma-atmosferos tarpusavio sąveikas. Credit: NASA/STScI
Stebėjimai, metodai ir ką parodo duomenys
Webb komanda nuosekliai stebėjo TOI-561 b daugiau nei 37 valandas be pertraukos, aprėpdama beveik keturias pilnas orbitas. Jie pasinaudojo NIRSpec gebėjimu išskaidyti arti-infraraudonąją šviesą pagal bangos ilgius, kad nustatytų planetos spindesį ir išvestų jos terminę emisiją. Ši technika — stebėti bendro šviesos kiekio kritimą, kai planeta praeina už žvaigždės — izoliuoja planetos indėlį ir leidžia nustatyti dienos pusės temperatūrą, išvengiant tiesioginės žvaigždės šviesos dominavimo.
Kodėl šviesumas pasako svarbią istoriją
- Be atmosferos: paviršiaus emisija dominuoja ir dienos pusė arti-infraraudonajame spektre turėtų atrodyti itin ryški — tai atitiktų akmeninio arba lydyto uolienos paviršiaus, kuris artėja prie šiluminės pusiausvyros su žvaigždės spinduliavimu, modelį.
- Su atmosfera: tokie dujos kaip vandens garai, silikatai ar kiti lakiųjų junginiai sugeria specifinius arti-infraraudonųjų bangų ilgius, mažindami stebėtą spindesį ir sudarydamos įspūdį apie vėsesnę paviršių temperatūrą. Galingi vėjai atmosferoje taip pat gali pernešti šilumą į nakties pusę, dar labiau mažindami matuojamą dienos pusės temperatūrą.
Tyrėjai svarstė ir alternatyvius aiškinimus, tokius kaip neįprastai mažas geležies branduolys arba mantija, sudaryta iš mažesnės tankio uolienos, kurie abu galėtų sumažinti planetos bendrą tankį. Tačiau vien tik struktūriniai sprendimai sunkiai paaiškina Webb užfiksuotą terminį parašą. Taip pat buvo apsvarstyta plona uolos garų plėvelė virš magma vandenyno; nors ji šiek tiek aušintų paviršių, tokio sluoksnio poveikis būtų per silpnas, kad atitiktų stebėtą temperatūros kritimą. Todėl atmosfera arba storas lakiųjų sluoksnis lieka labiausiai tikėtinu modeliu, suderinamu su spektroskopiniais duomenimis ir šviesio kitimais per užtemimus.
Kuo ši planeta skiriasi — ir kodėl tai svarbu
Pirmos autorės Johanna Teske (Carnegie Science Earth and Planets Laboratory) komanda atkreipė dėmesį į planetos mažą tankį kaip esminį sprendimo elementą: „Kas iš tikrųjų išskiria šią planetą, tai jos anomalinis mažas tankis. Ji yra mažiau tanki, nei tikėtumėtės turint Žemės tipo sudėtį.“ Šis netikėtas tankio rodiklis paskatino komandą išnagrinėti, ar išplėsta atmosfera gali padidinti planetos regimą spindulį ir taip sumažinti vidutinį tankio įvertinimą. Tokiu atveju atmosfera veiktų kaip papildomas tūris, kuris, nekeičiant uolinės masės, duotų klaidingą signalą apie mažesnį vidutinį tankį.
TOI-561 b sukasi aplink neįprastai seną ir mažai geležies turinčią žvaigždę, esančią Paukščių Tako storajame diske. Ši žvaigždė yra maždaug dvigubai vyresnė už Saulę, kas leidžia manyti, jog planeta susiformavo chemiškai kitokioje aplinkoje nei mūsų Saulės sistema. Kaip teigė bendraautorius Tim Lichtenberg (Groningeno universitetas): „Manome, kad egzistuoja pusiausvyra tarp magma vandenyno ir atmosferos. Kol dujos išsiskiria į atmosferą, magma vandenynas jas ištraukia atgal į vidų. ... Tai iš tiesų panašu į drėgną lavos kamuolį.“ Ši idėja apie nuolatinę mainų dinamiką tarp skysto paviršiaus ir dujinio apvalkalo atveria mechanistinį paaiškinimą, kaip maža planeta ekstremalioje radiacinėje aplinkoje galėtų išlaikyti atmosferą per geologinį laiką, jeigu jos vidus būtų praturtintas lakiųjų junginių, tokių kaip vanduo, anglies junginiai ir kitos dujos.
Tokia magma-atmosferos pusiausvyra reiškia tęstinį garavimą ir reabsorbciją: volatiliai gali eiti iš karštos magma į atmosferą, o vėsesnės sąlygos arba cheminiai procesai gali juos vėl įtraukti atgal į mantiją. Tokia sinergija gali sulėtinti galutinį atmosferos netekimą, ypač jei planetos gravitacija ir pradinės volatilių atsargos yra pakankamos, kad palaikytų šį ciklą ilgais laiko tarpsniais. Tai stiprina hipotezę, kad egzoplanetos su magma vandenynais gali išlaikyti užuominas apie savo formavimosi istoriją ir vidaus sudėtį ilgiau nei manyta anksčiau.
Mokslinis kontekstas ir pasekmės
Šis rezultatas meta iššūkį ilgai gajai ribai egzoplanetų moksle: kad tik didesnės planetos arba tos, esančios toli nuo savo žvaigždžių, gali išlaikyti atmosferas. Jei ultra-trumpo periodo uolinės planetos gali išsaugoti vakarinių junginių turtingas atmosferas dėka magma-atmosferos sąveikos, mūsų egzoplanetų klasifikavimo ir inventorizacijos modeliai turėtų būti peržiūrėti. Atrasta klasė planetų nėra nei paprasti dykumų akmenys, nei dujinės mini-Neptūnai — tai hibridinės lavos planetos su dinamiškais paviršiaus ir atmosferos mainais, potencialiai turinčios aktyvią cheminę aplinką bei įdomias geofizines sąlygas.
Praktiniu požiūriu šis radinys įtakoja planetų formavimosi ir evoliucijos modelius. Planetos, susiformavusios aplink metalams skurdžias, senas žvaigždes storajame diske, gali paveldėti labai skirtingus lakiųjų junginių kiekius, o tie pradžios kiekiai lemia, ar išlydyta planeta vėliau taps sausu akmeniu, ar išsaugos nuolatinį „drėgną“ lavos apvalkalą. Be to, tokios planetos suteikia galimybę palyginti formavimosi aplinkas ir nustatyti, kaip chemijos skirtumai žvaigždžių diskuose veikia planetų vidų ir atmosferų ilgalaikį išlikimą.
Ką darys toliau: temperatūros žemėlapiai ir sudėtis
Webb atlikti stebėjimai, kuriuose remiamasi šiomis išvadomis, yra pirmieji rezultatai iš General Observers Program 3860. Komanda šiuo metu analizuoja visą surinktą duomenų rinkinį siekdama sukurti detalesnį planetos paviršiaus temperatūros žemėlapį ir geriau apriboti atmosferos sudėtį. Išplėstinė spektroskopija ir fazinių kreivių analizė gali aptikti molekulines žymes — pavyzdžiui, vandens garus, silikatines rūšis arba kitus volatilius — ir leisti išmatuoti vėjo srautus, kurie perneša šilumą tarp dienos ir nakties pusių.
Konkrečių molekulių patvirtinimas būtų proveržis: tai atskleistų ne tik atmosferos buvimą, bet ir jos cheminę sudėtį, kilmę bei garavimo ir reabsorbcijos pusiausvyrą su magma vandenynu. Tokie duomenys leistų kiekybiškai įvertinti išgaravimą, molekulių gyvenimo trukmę atmosferoje ir koncentracijų gradientus, kurie kartu atskleistų vidaus ir paviršiaus sąveikų mechanizmus.
Ekspertų įžvalga
Dr. Evelyn Mora, planetologė Institute for Exoplanetary Studies (fiktyvi institucija), komentuoja: „Webb jautrumas arti-infraraudonajame spektre atveria naują langą, leidžiantį stebėti, kaip elgiasi ekstremalios planetos. TOI-561 b gali atrodyti negyvenama ir priešiška, tačiau ji gali būti laboratorija lakiųjų junginių mainams sąlygose, kurių negalime sukurti Žemėje. Jei atmosfera bus patvirtinta ir jos sudėtis tiksliai nustatyta, tai perrašys mūsų modelius apie atmosferos netekimą ir vidaus išsiskyrimą mažuose planetiniuose kūnuose.“
Kai Webb toliau stebi ultra-trumpo periodo egzoplanetas, astronomai galės tikslinti populiacinius modelius: kurios mažos planetos gali išlaikyti atmosferas, kaip tos atmosferos vystosi ir kas tai reikalautų habitabilumo platesniame kontekste — net jei planetos kaip TOI-561 b yra per karštos gyvybei, kokią mes pažįstame. Šie stebėjimai padės nustatyti ribines sąlygas atmosferos palaikymui, įvertinti vidinių volatilių reikšmę ir suteikti naujų įžvalgų apie planetų įvairovę Paukščių Take.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą