11 Minutės
Nauji NASA James Webb kosminio teleskopo (JWST) stebėjimai pateikia stiprius įrodymus, kad itin karšta super‑Žemė TOI‑561 b — uolėtas pasaulis, esantis taip arti savo žvaigždės, jog jo metai trunka kiek daugiau nei dešimt valandų — yra apsupta reikšmingos atmosferos. Šis atradimas meta iššūkį ilgai vyravusioms prielaidoms apie tai, kaip mažos, intensyviai apšviestos planetos praranda lakiuosius junginius, ir keičia mūsų supratimą apie uolines egzoplanetas, skriejančias aplink senas, geologiškai metalų skurdžias žvaigždes.
.avif)
Ši meninė vizija iliustruoja, kaip galėtų atrodyti tiršta atmosfera virš masyvaus magma vandenyno TOI‑561 b egzoplanetoje. JWST surinkti šviesos matavimai iš planetos dieninės pusės rodo, kad nepaisant intensyvios žvaigždės spinduliuotės, TOI‑561 b greičiausiai nėra nuogas uolėtas kūnas. Tokie stebėjimai praplečia mūsų supratimą apie karštų egzoplanetų atmosferų evoliuciją ir termodinamiką.
Kodėl TOI‑561 b yra netikėta
TOI‑561 b nėra įprasta uolėta planeta. Jos masė yra maždaug du kartus didesnė už Žemės, todėl ją priskiriame prie „super‑Žemių“, tačiau aplinka yra itin ekstremali: ji skrieja aplink žvaigždę, kuri yra šiek tiek mažesnė ir vėsesnė už Saulę, vos per vieną keturiasdešimtąją atstumo tarp Merkurijaus ir mūsų žvaigždės. Toks arti esantis orbitalinis atstumas lemia labai trumpą orbitos periodą — 10,56 valandos — ir priverčia vieną planetos pusrutulį gyventi nuolatinėje dienoje. Tokiose sąlygose tradiciniai planetų evoliucijos modeliai prognozuoja, kad žvaigždės spinduliuotė ir vėjai efektyviai nuplėšia pradinę atmosferą, palikdami nuogą, lydytą arba kietą uolieną.
Vis dėlto nauji JWST NIRSpec matavimai, užfiksavę planetos dieninės pusės emisiją, rodo ką kita. Jeigu TOI‑561 b būtų visiškai nuogas akmuo be aplinkos, galinčios tolydžiai paskirstyti šilumą, jos dieninės pusės temperatūra turėtų artėti prie maždaug 4 900 °F (≈2 700 °C). Vietoje to Webb teleskopas registruoja žymiai vėsesnį matomą dieninės pusės spindesį — maždaug 3 200 °F (≈1 800 °C). Šis neatitikimas rodo, kad dieninę pusę vėsina kažkoks mechanizmas — tikriausiai tiršta, lakiųjų junginių turtinga atmosfera, kuri perpumpuoja šilumą link naktinės pusės ir sugeria arba sklaido infraraudonuosius spindulius prieš jiems panyrant į kosmosą.
Kaip Webb atliko stebėjimus
Tyrėjų komanda naudojo JWST artimųjų infraraudonųjų spindulių spektrografą NIRSpec, kad užfiksuotų emisijos spektrą 3–5 mikronų ilgių ruože, kai planeta slėpėsi už savo žvaigždės — technika, vadinama antrine užtvara (secondary eclipse). Matydami, kaip sumažėja žvaigždės ir planetos bendras šviesos srautas, kai planeta trumpam dingsta, astronomai gali izoliuoti pačios planetos šiluminę emisiją ir spręsti apie temperatūrą bei spektro požymius, susijusius su jos atmosfera arba paviršiumi.
.avif)
NIRSpec (Near‑Infrared Spectrograph) užfiksuotas emisijos spektras 2024 m. gegužę parodo skirtingų 3–5 mikronų ilgio bangų šviesio stiprumą, sklindančią iš itin karštos super‑Žemės TOI‑561 b. Lyginimai su teoriniais modeliais rodo, kad planeta greičiausiai nėra nuogas akmuo, o yra apgaubta lakiųjų junginių turtingos atmosferos. Tokie spektriniai žymenys suteikia galimybę identifikuoti specifines molekulines absorbcijas ir vertinti debesų ar garų įtaką observacijoms.
Stebėjimai buvo intensyvūs ir preciziški: kaip JWST General Observers Program 3860 dalis, komanda stebėjo sistemą nepertraukiamai daugiau nei 37 valandas, per kurias TOI‑561 b sudarė beveik keturias pilnas orbitas. Tokia ilgesnė stebėjimo trukmė leido patikimai įvertinti dieninio paviršiaus spindesį, sumažinti triukšmą ir pradėti terminių savybių žemėlapio sudarymą aplink planetą.
Duomenų interpretacija: atmosfera, magmos vandenynas ir debesys
Apsvarstyta keletas fizinių paaiškinimų. Lydytas paviršius — globalus magma vandenynas — galėtų išsklaidyti šilumą konvekcija, o plonas uolos garų sluoksnis virš lavos paviršiaus galėtų modifikuoti stebėtą emisiją. Tačiau modelių palyginimai rodo, kad šie efektai vien tik greičiausiai negalėtų sumažinti dieninės pusės temperatūros tiek, kiek užfiksavo JWST.
Geriausias paaiškinimas pagal duomenis yra tiršta, lakiųjų junginių turtinga atmosfera. Tokia atmosfera perduotų šilumą stipriomis vėjų srovėmis link naktinės pusės, taip sumažindama dieninės temperatūrą. Jei joje būtų molekulinių komponentų, pavyzdžiui, vandens garų ar kitų silikatų ir metalų oksidų, jie galėtų absorbuoti tam tikrus artimųjų infraraudonųjų spindulių bangų ruožo ilgius, kuriuos skleidžia karštas paviršius, prieš fotonams praeinant visą atmosferos koloną — tai planeta atrodytų vėsesnė JWST detektoriams. Taip pat šviesios silikatų debesų buvimas yra realus veiksnys: mineralinės kilmės debesys gali atspindėti žvaigždės šviesą ir keisti išorinius šiluminius emisijos profilius, dar labiau sumažindami matuojamą spindesį.
„Visapusiškai paaiškinti rezultatus mums tikrai reikia tirštos, lakiųjų junginių turtingos atmosferos,“ teigė bendraautorė Anjali Piette (Birmingamo universitetas). Piette pažymi, kad tiek dujų absorbcija, tiek debesų sklaida gali kartu formuoti spektrą ir sumažinti akivaizdžią temperatūrą, kurią užregistravo NIRSpec.
Be to, modeliavimo darbai rodo, kad atmosferos cheminė sudėtis (pvz., santykis tarp silikatų, metalinių oksidų ir laisvųjų molekulių) bei debesis sudarančių dalelių dydžių pasiskirstymas turi didelę įtaką spektriniams požymiams. Tai leidžia daryti išvadas ne tik apie dabartinę atmosferos buvimą, bet ir apie jos evoliuciją bei kondensacijos‑garavimo ciklus, kurie gali vykti ant itin karštų paviršių.
Sudėties užuominos iš tankio ir žvaigždės cheminės sudėties
TOI‑561 b vidutinis tankis kelia papildomų klausimų. Nors planeta klasifikuojama kaip uolėta, jos tankis yra mažesnis nei būtų tikėtasi remiantis Žemei panašių sluoksnių sudėtimi. Du pagrindiniai paaiškinimai yra šie:
- mažesnis geležies šerdis ir mantija, sudaryta iš mažesnio tankio uolienų; arba
- reikšmingas dujinis apvalkalas, kuris didina planetos matomą spindulį ir taip mažina masės‑ir‑spindulio išvestą bendrą tankį.
Abi galimybės yra susijusios su planetos susidarymo aplinka. Jos centre esanti žvaigždė yra maždaug du kartus senesnė už Saulę ir priklauso Paukščių Tako storajam diskui, pasižyminčiam geležies trūkumu cheminiame portrete. Planetos, susiformavusios tokioje senovinėje ir cheminėmis savybėmis išsiskiriančioje galaktikos zonoje, galėjo įgyti sudėtis, skirtingas nuo mūsų Saulės sistemoje įprastų. „TOI‑561 b turėjo susiformuoti labai skirtingoje cheminių sąlygų aplinkoje nei planetos mūsų sistemoje,“ pažymi Johanna Teske, pagrindinė autorė ir mokslininkė iš Carnegie Earth and Planets Laboratory. Toks aplinkos skirtumas gali lemti neįprastas uolienų rūšis arba lakiųjų junginių atsargas, kurios šiandien leidžia planetai išlaikyti atmosferą arba turėti mažesnio tankio vidų.
Be to, žvaigždės metalų santykis (ypač Fe/H) ir kitų elementų santykiai (pvz., Si/Mg) gali paveikti planetos akmens mineralogiją: skirtingas mineralų rinkinys keičia mantijos ir plutos tankį bei chemines reakcijas su atmosfera. Tokie niuansai yra svarbūs formuojant išsamius planetos vidaus modelius ir vertinant, kiek medžiagų gali būti išlaisvinama į atmosferą iš magminės veiklos.
Kaip atmosfera gali išlikti tiek ilgai?
Vienas iš intriguojančių klausimų, iškylančių po šio atradimo, yra: kaip atmosfera gali išlikti ant tokios mažos ir intensyviai apšviestos planetos, ypač kai žvaigždė yra tokia sena? Tyrėjų komanda siūlo dinaminės pusiausvyros mechanizmą tarp magma vandenyno ir atmosferos: kai lakiųjų junginių garai veržiasi iš ištirpusių uolienų ir papildinėja atmosferą, magma tuo pačiu momentu gali sekvestruoti dalį dujų atgal į vidų. Ši nuolatinė apykaita gali sulėtinti grynąjį atmosferos netekimą į kosmosą ir palaikyti stabilų, nors ir lėtai garuojantį apvalkalą per geologinius laikotarpius.
„Tam, kad paaiškintume stebėjimus, ši planeta turi būti gerokai lakiųjų junginių turtingesnė nei Žemė,“ sako Tim Lichtenberg (Groningeno universitetas), AEThER (Atmospheric Empirical Theoretical and Experimental Research) bendradarbiavimo narys. „Tai iš tiesų primena šlapią lavos kamuolį.“ Tokia vaizdinė prielaida perteikia nuolatinio ryšio idėją: planetos paviršius maitina atmosferą, atmosfera perneša šilumą ir dalinai apsaugo paviršių, nors dalis dujų nuolat pašalinama žvaigždinės spinduliuotės ir dalelių srovių.
Taip pat verta paminėti, kad atmosferos išlikimas yra jautrus tokiems procesams kaip terminis pabėgimas, fotodizociacija, plazmos sąveikos su magnetosfera (jei tokią turi planeta) ir žvaigždžių srovės intensyvumas praeityje. Modeliai, apimantys šiuos procesus kartu su magma‑atmosfera apykaita, leidžia geriau įvertinti, kiek ilgai ir kokiomis sąlygomis atmosfera gali būti palaikyta.
Platesnės pasekmės egzoplanetų moksle
Jeigu pastabos bus patvirtintos, TOI‑561 b atmosfera būtų aiškiausias iki šiol aptiktas reikšmingas dujinis apvalkalas aplink uolėtą egzoplanetą už mūsų Saulės sistemos ribų. Šis rezultatas meta iššūkį paprastoms naratyvoms, kad ultra‑trumpo periodo planetos neišvengiamai tampa nuogais akmenimis, ir siūlo sudėtingesnį sprendimų rinkinį, kuriame svarbu formavimosi chemija, planetos vidinė struktūra ir nuolatinė paviršiaus‑atmosferos apykaita.
Atrasta naujovė taip pat plečia tipų, kuriuos JWST gali charakterizuoti, spektrą. Nors didelis dėmesys iki šiol skirtas vidutinio klimato galimoms gyvybės tinkamumo planetoms arba dujinėms mini‑Neptūnams, TOI‑561 b yra pavyzdys karšto, ekstremalaus ribinio atvejo, kuriame aukštos temperatūros chemija, magma vandenynai ir refrakcinių medžiagų debesys formuoja stebimus parametrus. Kiekvienas iš šių procesų palieka atpažįstamus spektrinius pėdsakus, kuriuos galima atskirti tikslesnėmis ateities stebėjimų serijomis.
Be to, šis atvejis ragina persvarstyti planetų kategorijas ir evoliucijos trajektorijas: galbūt egzistuoja anksčiau mažai žinomas planetų klasės tipas — senos, metalų skurdesnės sistemos super‑Žemės, kurios išsaugo lakiuosius junginius dėl unikalių vidaus ir paviršiaus‑atmosferos sąveikų. Toks platesnis požiūris gali paveikti ir planetų radimo bei charakterizavimo strategijas ateityje.
Kiti žingsniai ir būsimieji stebėjimai
Tyrėjų komanda šiuo metu išnagrinėja visą JWST rinkmenų rinkinį, kad sudarytų išsamesnį planetos terminių savybių žemėlapį ir griežčiau apribotų atmosferos cheminę sudėtį. Papildomi užtvarų (eclipse) stebėjimai, fāzės kreivės monitoravimas, kuris seka šviesio pokyčius per orbitą, bei palyginimai tarp skirtingų JWST operacinių režimų gali padėti identifikuoti molekulinius absorbuotojus (pvz., vanduo, silikatai, metalų oksidai) ir debesis.
Žemės paviršiaus stebėjimai iš žemės stočių, sinchronizuoti su JWST duomenimis, kartu su teoriniais tyrimais apie magma‑atmosferos chemiją padės patikslinti lakiųjų praradimo ir išsaugojimo modelius. Laboratoriniai eksperimentai, nagrinėjantys aukštų temperatūrų garavimą iš silikatinių uolienų, ir didelės raiškos hidrodinaminiai modeliai bus būtini siekiant sujungti stebimus spektrus su fiziniais procesais.
Carnegie mokslininkai, vadovaujantys projektui, pabrėžia, kad tai tik pradžia: pirminiai NIRSpec rezultatai kelia naujus klausimus, nors ir pateikia netikėtą atsakymą. Michael Walter, Earth and Planets Laboratory direktorius, apibūdino darbą kaip tęstinumą; Carnegie komandos buvo įtrauktos į JWST mokslo planavimą nuo misijos pradžių iki dabartinių stebėjimų ciklų, ir tikimasi dar daugelio atradimų.
Ekspertų įžvalgos
„Tokie radiniai verčia iš naujo apmąstyti uolėtų planetų evoliucijos galutines būsenas,“ sako dr. Elena Ruiz, planetų mokslininkė, nepritarianti straipsniui, bet komentuojanti rezultatus. „Anksčiau taikydavome gana tiesines sampratas: didelė spinduliuotė reiškia efektyvų atmosferos netekimą. Tačiau turint aktyvų paviršių, magma‑atmosferos apykaitą ir refrakcinius debesys, vaizdas tampa daug sudėtingesnis. Webb suteikia mums spektrinį jautrumą, reikalingą šių procesų atskyrimui, ir TOI‑561 b atrodo kaip puikus vadovėlinis atvejis aukštos temperatūros atmosferoms bei paviršiaus chemijai tirti.“
Dr. Ruiz pabrėžia, kad būsimieji modeliavimo darbai turi jungti vidaus dinamiką, paviršiaus garavimą ir atmosferos pabėgimą, kad būtų tiksliau prognozuojami observuojami požymiai. „Tik sujungę šias sistemas galėsime suprasti, ar TOI‑561 b yra anomalija, ar anksčiau nematytas išlikusių atmosferų tipas.“
Išvados
JWST aptikimas — vėsesnė nei tikėtasi dieninė pusė TOI‑561 b — stipriai nurodo į tirštą, lakiųjų junginių turtingą atmosferą virš globalaus magma vandenyno. Tai netikėtas atradimas senai super‑Žemei, skriejančiai ekstremalioje orbitoje. Rezultatas kelia iššūkį paprastiems atmosferos netekimo modeliams mažų, karštų planetų atveju ir išryškina formavimosi aplinkos bei vidaus sudėties svarbą. Tolimesni JWST stebėjimai, laboratoriniai tyrimai ir išsamesni teoriniai modeliai bus esminiai norint iššifruoti atmosferos cheminę sudėtį, jos išlikimo mechanizmus ir pasekmes planetų susidarymui visoje galaktikoje.
.avif)
Ši meninė koncepcija vaizduoja, kaip TOI‑561 b — itin karšta super‑Žemė — galėtų atrodyti pagal NASA James Webb kosminio teleskopo ir kitų observatorijų stebėjimus. Webb duomenys rodo, kad planeta greičiausiai yra apsupta tirštos atmosferos virš globalaus magma vandenyno, o tai turi svarbių pasekmių mūsų supratimui apie egzoplanetų terminius ir cheminius procesus.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą