Webb identyfikuje metan w atmosferze egzoplanety
Teleskop Webba zaobserwował egzoplanetę WASP-80 b, gdy przechodziła przed i za swoją gwiazdą macierzystą, co ujawniło widma wskazujące na obecność metanu i pary wodnej w jej atmosferze.
Wizja artystyczna ciepłej egzoplanety WASP-80 b, której kolor może wydawać się niebieskawy dla ludzkiego oka ze względu na brak chmur znajdujących się na dużych wysokościach oraz obecność metanu atmosferycznego. Źródło: NASA
Chociaż do tej pory wykryto parę wodną na kilkunastu planetach, to do niedawna metan – związek chemiczny obfity w atmosferach Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna w naszym Układzie Słonecznym – pozostawał nieuchwytny w atmosferach tranzytujących egzoplanet badanych za pomocą spektroskopii kosmicznej. Taylor Bell z Bay Area Environmental Research Institute (BAERI) współpracująca z NASA ARC w Dolinie Krzemowej oraz Luis Welbanks z Arizona State University udzielili więcej informacji na temat znaczenia odkrycia metanu w atmosferach egzoplanet oraz omówili, w jaki sposób obserwacje Webba przyczyniły się do identyfikacji tej długo poszukiwanej cząsteczki. Odkrycia te zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Planeta WASP-80 b, o temperaturze około 825 kelwinów, należy do tzw. „ciepłych jowiszów”, czyli planet o podobnej wielkości i masie do Jowisza w naszym Układzie Słonecznym, ale charakteryzujących się temperaturą pośrednią pomiędzy gorącymi jowiszami, jak np. HD 209458 b o temperaturze 1450 K – pierwszą odkrytą tranzytującą egzoplanetą, a zimnymi jowiszami, jak Jowisz w naszym Układzie Słonecznym, który ma około 125 K. WASP-80 b okrąża swoją gwiazdę macierzystą (czerwony karzeł) raz na trzy dni i znajduje się 163 lata świetlne od nas w kierunku konstelacji Orła. Z uwagi na bliskie położenie planety względem swojej gwiazdy oraz duże odległości obu obiektów od Ziemi, nie jesteśmy w stanie obserwować jej bezpośrednio, nawet przy użyciu najbardziej zaawansowanych teleskopów, takich jak Webb. Zamiast tego naukowcy badają połączone światło gwiazdy i planety za pomocą metody tranzytu (która posłużyła do odkrycia większości znanych egzoplanet) oraz metody zaćmienia.
Korzystając z metody tranzytu, astronomowie obserwowali układ, gdy planeta przemieszczała się przed swoją gwiazdą z naszej perspektywy, powodując delikatne przygaszenie światła gwiazdy. Można to porównać do sytuacji, gdy ktoś przechodzi przed lampą i światło słabnie. W tym czasie cienki pierścień atmosfery planety wokół granicy dnia i nocy jest oświetlany przez gwiazdę. W przypadku niektórych kolorów światła, w których cząsteczki w atmosferze planety pochłaniają światło, atmosfera wydaje się grubsza i blokuje więcej światła gwiazdy, co prowadzi do głębszego zaćmienia w porównaniu z innymi długościami fal, przy których atmosfera wydaje się przezroczysta. Metoda ta pomaga naukowcom zrozumieć skład atmosfery planety poprzez analizę, które kolory światła są blokowane.
W międzyczasie, wykorzystując metodę zaćmienia, naukowcy obserwowali układ, gdy planeta przechodziła za swoją gwiazdą z naszej perspektywy, powodując kolejny niewielki spadek całkowitego światła, które otrzymujemy. Wszystkie obiekty emitują światło, zwane promieniowaniem cieplnym, którego intensywność i kolor zależą od stopnia nagrzania obiektu. Tuż przed i po zaćmieniu, gorąca strona planety jest skierowana w naszą stronę, a poprzez mierzenie spadku światła podczas zaćmienia, byliśmy w stanie zmierzyć światło podczerwone emitowane przez planetę. W przypadku widm zaćmieniowych absorpcja przez cząsteczki w atmosferze planety zwykle objawia się jako redukcja emitowanego przez planetę światła o określonych długościach fal. Ponadto, ponieważ planeta jest znacznie mniejsza i chłodniejsza niż jej gwiazda macierzysta, głębokość zaćmienia jest znacznie mniejsza niż głębokość tranzytu.
Wstępne obserwacje dokonane przez naukowców musiały zostać przekształcone w tzw. widmo, czyli pomiar pokazujący, ile światła jest blokowane lub emitowane przez atmosferę planety w różnych kolorach (lub długościach fal) światła. Istnieje wiele różnych narzędzi do przekształcania surowych obserwacji w użyteczne widma, dlatego zastosowaliśmy dwa różne podejścia, aby upewnić się, że nasze wyniki są odporne na różne założenia. Następnie zinterpretowaliśmy to widmo przy użyciu dwóch rodzajów modeli, aby przeprowadzić symulację tego, jak wyglądałaby atmosfera planety w tak ekstremalnych warunkach. Pierwszy typ modelu jest w pełni elastyczny i testuje miliony kombinacji obfitości metanu i wody oraz temperatur, aby znaleźć kombinację, która najlepiej pasuje do naszych danych. Drugi typ, zwany „modelem samospójnym”, również bada miliony kombinacji, ale wykorzystuje naszą istniejącą wiedzę z zakresu fizyki i chemii do określenia poziomów metanu i wody, których można się spodziewać. Oba typy modeli prowadzą do tego samego wniosku: ostatecznego wykrycia metanu.
Aby potwierdzić swoje ustalenia, naukowcy skorzystali z solidnych metod statystycznych do oceny prawdopodobieństwa, że wykrycie jest przypadkowym szumem. W dziedzinie naukowej uważa się, że „złotym standardem” jest tzw. „detekcja 5-sigma”, co oznacza, że prawdopodobieństwo, iż detekcja jest wynikiem przypadkowego szumu, wynosi 1 na 1,7 miliona. W międzyczasie wykryliśmy metan przy poziomie 6,1-sigma zarówno w widmach tranzytu, jak i zaćmienia, co daje prawdopodobieństwo fałszywej detekcji na poziomie 1 do 942 milionów w każdej obserwacji. To przekracza „złoty standard” 5-sigma i wzmacnia nasze przekonanie co do obu detekcji.
Dzięki dokładnemu odkryciu, nie tylko udało nam się znaleźć bardzo trudno wykrywalną cząsteczkę, ale także teraz możemy przystąpić do badania, co skład chemiczny mówi nam o narodzinach, rozwoju i ewolucji planety. Na przykład, poprzez pomiar ilości metanu i wody na planecie, jesteśmy w stanie wyciągnąć wnioski na temat stosunku atomów węgla do atomów tlenu. Oczekuje się, że ten stosunek zmienia się w zależności od tego, gdzie i kiedy planety formowały się w swoim układzie. Dlatego badanie stosunku węgla do tlenu może dostarczyć wskazówek co do tego, czy planeta uformowała się blisko swojej gwiazdy, czy dalej, zanim stopniowo przesunęła się do wewnątrz.
Kolejnym powodem, który wzbudza ekscytację w naukowcach w związku z tym odkryciem, jest możliwość porównania planet spoza naszego Układu Słonecznego z tymi, które się w nim znajdują. NASA od dawna wysyła statki kosmiczne do gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym, aby zmierzyć ilość metanu i innych cząsteczek w ich atmosferach. Teraz, dzięki pomiarowi tego samego gazu na egzoplanecie, możemy rozpocząć porównania „jabłko do jabłka” i sprawdzić, czy obserwacje dokonane poza Układem Słonecznym pokrywają się z tym, co obserwujemy wewnątrz niego.
W kontekście przyszłych odkryć za pomocą teleskopu Jamesa Webba, ten wynik pokazuje, że stoimy tuż przed bardziej ekscytującymi odkryciami. Dodatkowe obserwacje za pomocą instrumentów MIRI i NIRCam WASP-80 pozwolą nam zgłębić właściwości atmosfery na różnych długościach fal. Nasze dotychczasowe odkrycia dają nam podstawy do sądzenia, że będziemy w stanie zaobserwować inne cząsteczki bogate w węgiel, takie jak tlenek węgla i dwutlenek węgla, co pozwoli nam uzyskać bardziej kompleksowy obraz warunków panujących w atmosferze planety. Ponadto, w miarę odnajdywania metanu i innych gazów na egzoplanetach, będziemy nadal poszerzać naszą wiedzę na temat działania chemii i fizyki w warunkach odmiennych od tych, które panują na Ziemi, a być może wkrótce także na innych planetach, które przypominać będą nasz dom. Jeden fakt jest pewny – podróż odkrywcza z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba obfituje w potencjalne niespodzianki.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
