Helio požymis atskleidžia LHS 1140 b atmosferą ir jos trukmę

Kai iš tolimos uolinės planetos buvo aptiktas silpnas helio šnabždesys, astronomai įsiklausė. Tas šnabždesys virto reikšmingu signalu: pirmą kartą tyrėjai turi stiprių įrodymų, kad žemei panašios masės ir temperatūros planeta, sukinėjanti savo žvaigždės gyvenamąją zoną, vis dar turi atmosferą.

Šiame menininko vaizdavime egzoplaneta LHS 1140 b pavaizduota pirmame plane, apsupta helio gausiai praturtintos atmosferos. Kitoje vietovėje to paties šalto raudono nykštukinio žvaigždės sistemos orbitoje sukasi dar viena uolinė planeta. Naujas tyrimas pateikia stipriausius iki šiol įrodymus, kad LHS 1140 b išlaikė atmosferą, žyminčius svarbų žingsnį link žemei panašių uolinių planetų atradimo už Saulės sistemos ribų. Kreditas: Melissa Weiss/CfA

Planeta yra LHS 1140 b, uolinis pasaulis maždaug už 48 šviesmečių, skriejantis aplink šaltą raudoną nykštukę. Aptikimo komanda, kuriai vadovavo Collin Cherubim jo doktorantūros studijų Harvarde metu, panaudojo sumanų teorijos ir palankių stebėjimų derinį, kad išskirtų helio spektrinį parašą, kylantį iš planetos viršutinės atmosferos. Pagrindinį darbą atliko žemės stebėjimų spektroskopija.

Kaip helis atskleidė atmosferą

Helis yra subtilus žymeklis. Jis neišsiduoda regimojoje šviesoje taip akivaizdžiai kaip natrio ar deguonies linijos. Vietoj to jis matomas artimojoje infraraudonųjų spindulių srityje kaip plona absorbcijos savybė, kurią sukuria iš viršutinės atmosferos energija gavę ir tolyn nutolstantys atomai. Cherubim ir kolegos sukūrė modelį, prognozavusį, kad LHS 1140 b turėtų turėti helio turtingą egzosferą, lėtai nutekančią į kosmosą. Tada jie patikrino tą prognozę naudodami tikrus duomenis.

Komanda panaudojo WINERED spektrografą ant Magellan Clay teleskopo Las Kampanas observatorijoje Čilėje. Laikas suveikė palankiai: netikėtas išsidėstymas lėmė, kad LHS 1140 b ir kaimyninė planeta praskriejo prieš savo žvaigždę tą pačią naktį, suteikdami natūralų kontrolinį stebėjimą. Viena planeta nesukėlė atmosferinio signalo. LHS 1140 b parodė helio absorbciją, kuri išsiskyrė duomenyse, buvo statistiškai patikima ir kartojama.

Aptikimo metodas yra svarbus, nes suteikia naują įrankį uolinių egzoplanetų tyrimams. Iki šiol patvirtinti atmosferas mažose, vėsiuose planetose buvo sudėtinga. Kosminiai teleskopai gali tyrinėti daugelį taikinių, bet jie turi laiko ir jautrumo ribas. Žemės pagrindo paieškos, skirtos išsiskiriančioms dujoms, ypač heliui artimojoje infraraudonojoje srityje, astronomams suteikia papildomą ir kompensuojantį kelią identifikuoti atmosferas ant žemės tipo planetų.

Pagrindiniai tyrimo dalyviai, iš kairės į dešinę: Robin Wordsworth, Gordon McKay aplinkos mokslo ir inžinerijos profesorius bei Žemės ir planetinių mokslų profesorius; Collin Cherubim, neseniai įgijęs daktaro laipsnį Žemės ir planetinių mokslų srityje Harvardo universitete ir susijęs su Centro astro; bei David Charbonneau, Harvardo astronomijos departamento vadovas ir astronomas Centro astronomijos | Harvardas ir Smithsonian. Charbonneau ir Wordsworth yra Cherubim disertacijos vadovai. Rudenį Cherubim prisijungs prie Čikagos universiteto kaip postdoktorantas tyrėjas.

Kodėl šis aptikimas keičia paiešką gyvenamųjų pasaulių

Atmosferos radimas yra esminis žingsnis vertinant gyvybingumą. Atmosferos sušvelnina paviršiaus temperatūras, leidžia susilaikyti skystam vandeniui ir palaiko cheminių ciklų sistemą, kuri gali remti gyvybę. Kelios eilutės perteikia esmę: atmosfera yra. Atmosfera išsilaikė ilgai. Tai kelia LHS 1140 b iš įdomios kandidatės į pagrindinį taikinį tolesniems tyrimams.

Apskaičiavimai rodo, kad atmosfera išliko daugiau nei tris milijardus metų. Toks ilgaamžiškumas yra svarbus. Tai reiškia, kad planeta atlaikė žvaigždės aktyvumo sukeliamą atmosferos plovimą ir išlaikė lakiuosius komponentus per geologinius laikotarpius. Planetoms aplink raudonuosius nykštukus, kurie gali būti aktyvūs ir priešiški, tai yra ypač reikšminga. Kyla klausimas: kaip dažni yra tokie išlikę pasauliai?

David Charbonneau, Harvardo astronomijos departamento vadovas ir vienas vyresniųjų tyrimo autorių, iš pradžių buvo skeptiškas. Prognozuotas helio signalas kilo iš matematinio modelio ir anksčiau nebuvo pastebėtas uoliniame pasaulyje. Stebėjimai pakeitė jo nuomonę; signalas pasirodė tikras ir įtikinamas.

Instrumentinis pranašumas: WINERED ir palankus laikas

WINERED yra didelės raiškos, šiltajai artimosios infraraudonųjų spektrinei sričiai skirtas echelės spektrografas, optimizuotas būtent tokiems darbams: išskirti silpnus absorbcijos štrichus iš blankių šaltinių. Derinys su palankiu dvigubo tranzito reiškiniu suteikė aiškų kelią atskirti žvaigždės ir žemės atmosferos triukšmą nuo tikro planetinio signalo. Tai priminimas, kad protingas taikymas ir tinkami įrankiai gali atvesti prie atradimų net be didžiausių teleskopų ar kosminių platformų.

Ką toliau darys komanda, yra aišku ir ambicinga. Jie sieks išmatuoti atmosferos pilną cheminę sudėtį, ieškoti vandens garų ar sunkesnių molekulių pėdsakų ir taikyti savo modelį kitoms perspektyvioms uolinėms planetoms. Jei helis gali veikti kaip atmosferų švyturys, apžvalgos galės plėstis.

Eksperto nuomonė

"Šis aptikimas yra lūžio taškas žemės pagrindo mažų planetų tyrimuose", sako dr. Maya Singh, stebinčių astronomijos tyrinėtoja, nedalyvavusi tyrime. "Helis yra trapus, bet reikšmingas žymeklis. Radus jį nutekant, atsiveria langas į viršutinės atmosferos fiziką ir užuomina, kad žemesnės atmosferos sluoksnis gali būti stabilus. Tai atveria kelią tolesnei spektroskopijai ir galutiniam gyvybingumo vertinimui."

Singh priduria atsargumo žodį: "Helio aptikimas savaime neįrodo paviršinių vandenynų ar gyvybei palankios chemijos. Tačiau tai sutrumpina nežinomųjų sąrašą. Tai parodo, kur nukreipti būsimus stebėjimus."

Pasekmės egzoplanetų mokslui ir ateities perspektyvos

Už LHS 1140 b ribų platesnė implikacija yra metodologinė. Spektroskopinės paieškos, orientuotos į nutekančias dujas, gali išplėsti mažų egzoplanetų, turinčių atmosferas, sąrašą. Tai nulems brangių tolesnių tyrimų prioritetus su įrenginiais, tokiais kaip James Webb kosminis teleskopas ir naujos kartos žemės bazės masyvai. Taip pat tai informuos teorinius modelius apie atmosferos netekimą, magnetinę apsaugą ir žvaigždės ir planetos sąveikas.

Galų gale, rezultatas jaučiasi kaip mažas, bet lemiamas laimėjimas. Teorija prognozavo silpną helio parašą. Stebėtojai jį rado. Aptikimas patvirtina modelį ir suteikia astronomams praktišką įrankį medžioklei ieškant žemei panašių pasaulių. O tiems, kurie klausia, ar panašios į mūsų planetos egzistuoja už Saulės sistemos ribų, šis atradimas pateikia aiškiausią iki šiol atsakymą: taip, bent viena tokia planeta egzistuoja.

Išvados

LHS 1140 b tapo pagrindine laboratorija uolinių planetų atmosferų tyrimams. Helio aptikimas nėra galutinis sprendimas dėl gyvybingumo, tačiau tai didelis žingsnis link klausimo, ar galaktikoje egzistuoja žemės analogai su stabiliosiomis atmosferomis. Tikėtina nuosekli tolesnių tyrimų banga, nes astronomai naudos šį metodą katalogizuodami atmosferas aplink kitas mažas, vidutiniškai šiltas planetas.