Beyond Local: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie mapować atmosfery egzoplanet

Ten artykuł autorstwa Ludwik Filip Kolumbi Uniwersytet w Montrealu Pierwotnie opisywany w Rozmowie i opublikowany tutaj za zgodą.

Egzoplanety, planety krążące wokół gwiazd innych niż Słońce, znajdują się w bardzo dużych odległościach od Ziemi. Na przykład nasza najbliższa egzoplaneta, Proxima Centauri b, znajduje się w odległości 4,2 roku świetlnego, czyli 265 000 razy większej od odległości Ziemi od Słońca.

Gołym okiem planety Układu Słonecznego wyglądają jak jasne plamy. Jednak w przypadku teleskopu punkty te wystają z gwiazd i ujawniają struktury, takie jak Wielka Czerwona Plama Jowisza, pierścienie Saturna lub czapy lodowe Marsa.

Chociaż takich zjawisk można się spodziewać na egzoplanetach, ich odległość od Ziemi uniemożliwia nam bezpośrednie określenie ich powierzchni. Istnieją jednak sposoby, aby dowiedzieć się więcej o strukturze ich atmosfery i zmapować je.

Jestem doktorantem astrofizyki na Uniwersytecie w Montrealu. Moja praca związana jest z charakterystyką atmosfer egzoplanet. W szczególności moje badania skupiają się na opracowaniu narzędzi do mapowania atmosfer egzoplanet za pomocą obserwacji z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

Teleskop, który został wystrzelony 25 grudnia 2021 r., ma zrewolucjonizować dziedzinę nauki o egzoplanetach.

Wykrywanie i charakterystyka egzoplanet

Poza pewnymi szczególnymi przypadkami, w których światło planety można obserwować bezpośrednio, większość egzoplanet wykrywa się metodami pośrednimi. Metodą pośrednią jest obserwowanie wpływu istnienia planety na światło emitowane przez jej gwiazdę.

Metoda tranzytu doprowadziła do największej liczby odkryć egzoplanet. Tranzyt ma miejsce, gdy według nas egzoplaneta przechodzi przed swoją gwiazdą macierzystą. Podczas tranzytu światło gwiazdy słabnie, ponieważ planeta częściowo przesłania jej powierzchnię.

Światło podzielone jest na spektrum długości fal, które odpowiadają różnym kolorom. Kiedy tranzyty są obserwowane na kilku długościach fal, możliwe jest zmierzenie składu atmosfery egzoplanety. Na przykład cząsteczki wody silnie pochłaniają światło w zakresie podczerwieni, co sprawia, że ​​planeta wydaje się większa, ponieważ jej atmosfera blokuje większą część światła gwiazdy. W podobny sposób możliwy jest również pomiar temperatury atmosfery i wykrywanie obecności chmur.

Ponadto tranzytująca planeta może przejść za swoją gwiazdą. Zjawisko to, w którym obserwowane jest tylko światło gwiazdy, nazywa się zaćmieniem wtórnym. Obserwując to, można wyizolować jedynie światło pochodzące z planety i tym samym uzyskać dodatkowe informacje o jej atmosferze.

Metoda tranzytów jest bardziej czuła na obecność chmur, natomiast metoda zaćmienia wtórnego dostarcza więcej informacji o temperaturze atmosfery.

Ogólnie rzecz biorąc, podczas analizy atmosfera egzoplanety jest uważana za obiekt jednowymiarowy. Oznacza to, że jego skład i temperatura różnią się tylko różnicą wysokości, a nie położeniem na szerokości i długości geograficznej. Jednoczesne uwzględnienie tych trzech wymiarów wymaga złożonych modeli, a także wysokiego stopnia dokładności obserwacji. Jednak samo myślenie o wysokości może skutkować nieprawidłowymi przybliżeniami. Na przykład na Ziemi temperatura na równiku jest znacznie wyższa niż na biegunach.

Niektóre egzoplanety mają również silną zmienność przestrzenną w swoich atmosferach. Gorący Jowisz, podobny rozmiarami do Jowisza, krąży bardzo blisko swojej gwiazdy macierzystej i dlatego może osiągać temperatury kilku tysięcy stopni Celsjusza.

Ponadto planety te obracają się wokół siebie z taką samą prędkością, jak ich gwiazda. Oznacza to, że na tych planetach dzień i rok mają tę samą długość. W ten sam sposób, w jaki widzimy tylko jedną stronę Księżyca z Ziemi, tylko jedna strona gorącego Jowisza jest stale zwrócona do swojej gwiazdy. Zjawisko to może prowadzić do znacznej różnicy temperatur pomiędzy stroną dzienną, którą oświetla gwiazda, a stroną nocną, która zawsze jest utrzymywana w ciemności.

Metody mapowania

Chociaż nie można bezpośrednio obserwować powierzchni egzoplanety, możliwe jest zmierzenie przestrzennej zmienności atmosfery za pomocą dwóch metod: analizy krzywej fazowej i mapowania zaćmień wtórnych.

Krzywa fazowa to kontrast światła z gwiezdnego układu planetarnego w okresie rewolucji. Ponieważ planeta obraca się wokół siebie podczas swojej orbity, widoczne są dla nas odpowiednio różne sekcje jej atmosfery. Za pomocą tego sygnału możliwe jest zmapowanie natężenia światła emitowanego przez planetę w jej długości geograficznej. W przypadku gorących Jowiszów, których dobowa strona jest generalnie gorętsza, maksymalna ilość światła docierającego z planety znajduje się w pobliżu zaćmienia wtórnego. Podobnie krzywa minimum znajduje się w pobliżu przejścia, gdzie obserwowana jest nocna strona.

W mapowaniu zaćmienia wtórnego rozwiązywana jest dzienna strona egzoplanety. Gdy planeta wchodzi i wychodzi z naszej gwiazdy, jej części są ukryte, co pozwala nam odizolować światło emitowane przez określoną część jej atmosfery. Poprzez indywidualny pomiar ilości światła emitowanego przez każdą sekcję, dzienna strona atmosfery może być następnie określona na podstawie długości i szerokości geograficznej.

Przybywa Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

Do tej pory analiza krzywej fazowej została zastosowana do wielu planet za pomocą teleskopów kosmicznych, w tym teleskopów kosmicznych Hubble’a, Keplera i TESS. Mapowanie wtórnego zaćmienia zastosowano do pojedynczej egzoplanety, Hot Jupiter HD189733 b, z obserwacji za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera. Jednak obserwacje te są zwykle dokonywane przy jednej długości fali i nie dają pełnego obrazu procesów atmosferycznych zachodzących na tych egzoplanetach.

Z 6,5-metrowym zwierciadłem, w porównaniu do 2,4-metrowego zwierciadła Hubble’a, teleskop Webba zapewni niespotykanie dokładne obserwacje w szerokim zakresie długości fal. Cztery instrumenty, w tym kanadyjski NIRISS (Near Infrared Imager and Slit Spectrometer), będą monitorować w podczerwieni i charakteryzować atmosfery kilku egzoplanet.

Za pomocą teleskopu Webba możliwe będzie zastosowanie dostępnych nam metod mapowania do pomiaru trójwymiarowego kontrastu atmosfer egzoplanet. Pomiary te pozwolą nam pogłębić wiedzę o procesach atmosferycznych.

Ponieważ technologia i narzędzia wciąż się rozwijają, może być nawet możliwe zmapowanie egzoplanety podobnej do Ziemi w przyszłości.

Ludwik Filip KolumbDoktorantka astrofizyki Uniwersytet w Montrealu

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa Na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.