Atrandant svetimus pasaulius: nauja egzoplanetų vaizdavimo era

Nauja egzoplanetų tyrimų era: JWST atveria nežinomus pasaulius

Dėl neprilygstamų James Webb kosminio teleskopo (JWST) galimybių astronomai pradėjo naują tiesioginių egzoplanetų tyrimų etapą – tų planetų, kurios skrieja aplink žvaigždes už mūsų Saulės sistemos ribų. Mokslininkams pirmą kartą pavyko JWST pagalba užfiksuoti labai detalius egzoplanetų vaizdus: matyti ne tik atmosferiniai debesys, sudaryti iš smulkių smėlio dalelių, bet ir sūkuriniai mineralų diskai, tokie kaip olivinas, Žemėje sudarantis peridoto brangakmenį.

Mokslinis kontekstas: Kodėl svarbus tiesioginis egzoplanetų vaizdavimas?

Egzoplanetų paieška tapo viena sparčiausiai besivystančių šiuolaikinės astronomijos sričių – iki šiol jau patvirtinta beveik 6 000 pasaulių. Tačiau beveik visi jie buvo aptikti netiesiogiai: stebint žvaigždžių šviesos susilpnėjimą, kai planeta praeina prieš ją (tranzitas), arba matuojant žvaigždės „svyravimą“ dėl planetos gravitacijos. Tiesioginiai stebėjimai – kai fiksuojama ir analizuojama pati planetos šviesa – tebėra itin reti ir sudėtingi. Iš visų žinomų egzoplanetų tik apie 80 pavyko tiesiogiai nufotografuoti, nes jos yra labai blankios, mažos ir paskendusios žvaigždės šviesos spindesio fone.

Tiesioginis planetų vaizdavimas leidžia mokslininkams sužinoti ne tik jų sudėtį, bet ir išskirtines orų sistemas bei fizinius procesus, vykstančius svetimose atmosferose – tokių duomenų neteikia netiesioginiai metodai.

YSES-1 sistema: nauja pažinimo laboratorija

Šio naujausio JWST tyrimo centre – YSES-1 žvaigždžių sistema, esanti už 306 šviesmečių nuo Žemės. Šią jauną žvaigždę lydi dvi dujinės milžinės egzoplanetos: YSES-1b, nutolusi 160 astronominių vienetų (AV) nuo žvaigždės, ir YSES-1c, esančią 320 AV atstumu. Palyginimui, Neptūnas aplink Saulę sukasi vos 30 AV atstumu. Šios planetos ne tik itin toli nuo savo žvaigždės, bet ir masyvios: YSES-1c yra maždaug šešis kartus sunkesnė už Jupiterį, o YSES-1b masė siekia net 14 Jupiterio masių, priartėdama prie rudųjų nykštukių ribos.

Ankstesni stebėjimai rodė intriguojančių atmosferos bruožų, tačiau pritrūko priemonių detaliai analizei. JWST NIRSpec (artimosios infraraudonosios spektrografas) leido iš esmės pakeisti situaciją. Kaip pažymėjo pagrindinis tyrėjas, astrofizikas Kielan Hoch iš Kosminio teleskopo mokslo instituto: „Naudodami JWST NIRSpec galime gauti tūkstančiais skirtingų bangų ilgių iš karto planetų vaizdus ir spektrus – iš esmės, matome tik planetos spinduliuojamą šiluminę šviesą.“

Kaip JWST atskleidžia egzoplanetų atmosferas

Skirstydami per egzoplanetos atmosferą prasiskverbusią šviesą į atskirus bangos ilgius, astronomai gali nustatyti, kokios molekulės ten yra. Kiekviena cheminė medžiaga sugeria tik tam tikrus bangų ilgius, taip sukurdama unikalų spektrinį „pirštų atspaudą“. Hoch teigia: „Kai žvaigždės šviesa praeina pro planetos atmosferą, molekulės dalį jos sugeria, palikdamos išskirtinius ženklus – to dėka galime nustatyti atmosferos sudėtį.“

Revoliuciniai atradimai: silikatų debesys ir olivino diskas

JWST suteikė išsamiausius iki šiol duomenis apie tolimą daugiaplanetę sistemą. Buvo nustatyta, kad tiek YSES-1b, tiek YSES-1c atmosferose gausu vandens garų, anglies monoksido, anglies dioksido ir metano – tai įprasti komponentai planetų atmosferose. Visgi giluminis tyrimas atskleidė ir išskirtinių skirtumų tarp šių dviejų pasaulių.

Smėlio debesys planetoje YSES-1c

YSES-1c spektras parodė plačius molekulinius vandens, anglies monoksido, anglies dioksido ir metano bruožus. Dar nustebino absorbcijos modeliai ilgesniuose bangų ilgiuose, būdingi silikatų – tai smulkių smėlio grūdelių – dangui aukštai atmosferoje. Laboratoriniai modeliai rodo, kad šiuose silikatuose gali būti ir geležies, kuri gali kylti su lietumi iš debesų. „Panaudojome laboratorinius duomenis, kad nustatytume silikatų rūšis bei jų sudėtį. Dalies deriniai gali būti smulkūs silikatų dulkės, galbūt su geležies priemaiša – nors ir gryni silikatai atitinka mūsų rezultatus,“ – sako Hoch.

Netikėtas olivino diskas prie YSES-1b

Tuo tarpu YSES-1b atmosferoje silikatų signalų neaptikta, tačiau atrasta dar netikėtesnė detalė: spektrinis parašas rodo, kad aplink planetą susiformavo olivino, vulkaninio mineralo, diskas. Olivinas Žemėje paplitęs uolienose ir meteoritų sudėtyje. Tokia medžiaga aplink egzoplanetą retai išsilaiko ilgiau nei 5 mln. metų, o YSES-1 sistemos amžius siekia apie 16,7 mln. metų. Tai rodo, kad olivinas galėjo atsirasti po nesenos kosminės katastrofos – retas įvykis, kurį JWST užfiksavo tinkamu metu.

Hoch priduria: „Tikėjomės debesų YSES-1c, mat ši planetos klasė būna debesuota. Tačiau stebėtis privertė unikalios savybės, kokių nematyta rudosioms nykštukėms, bei netikėtas diskas apie YSES-1b – tai buvo tikra staigmena.“

Mokslinė svarba ir žvilgsnis į ateitį

Šie atradimai ne tik suteikia detaliausią vaizdą apie svetimų planetų orus ir chemines savybes, bet ir kelia naujų klausimų: kokie procesai lemia silikatų debesų ir olivino dulkių formavimąsi? Kaip dažnai tokios savybės pasitaiko tarp dujinių milžinių egzoplanetų?

YSES-1 tapo esmine egzoplanetų tyrimų laboratorija – ji puikiai parodo, kaip modernūs kosminiai teleskopai, tokie kaip JWST, gali atskleisti sudėtingą nutolusių planetų pasaulį.

„Visi proveržiai astrofizikoje sukelia tiek pat naujų klausimų, kiek atsako. Diskas aplink YSES-1b – puikus to pavyzdys,“ sako Hoch. „Tik pradedame suprasti atmosferų raidą ir formavimąsi tokiose sistemose. Tolimesni įvairiapusės spektrinės analizės stebėjimai leis mums užpildyti žinių spragas.“

Taip pat šiame projekte ryškiai matyti jaunųjų tyrėjų indėlis. Hoch pasakoja: „Šį tyrimą vykdė jauni mokslininkai – teikdamas pasiūlymą stebėti YSES-1 JWST teleskopu, dar buvau doktorantas, kai teleskopas dar nebuvo pakilęs į orbitą. Pagrindiniai autoriai yra tarp pirmakursių doktorantų ir podoktorantų. Jų sėkmė parodo, kodėl svarbu investuoti į jaunųjų astrofizikų talentą.“

Išvados

Tiesioginiai YSES-1 sistemos stebėjimai JWST teleskopu ženkliai pakeitė egzoplanetų tyrimus. Aptikus atmosferos smėlio debesis ir mineralų prisotintą diską, pirmą kartą suteikta galimybė tyrinėti svetimų pasaulių orus, chemiją bei netikėtas kosmines katastrofas. JWST tęsiant kosminių pasaulių tyrimus, kiekvienas naujas duomenų rinkinys gilina mūsų supratimą apie visatos egzoplanetų įvairovę ir sudėtingumą.