Niezwykły glob zbadany. JWST zajrzał w głąb zimnego giganta
Zapomnij o lodowatych gigantach i płonących światach. TOI-199b to planeta wielkości Saturna, która wymyka się klasyfikacji. Teleskop Webba wreszcie zajrzał w jej nietypową atmosferę.
TOI-199b krąży wokół gwiazdy oddalonej od nas o ponad 330 lat świetlnych. Jeden obieg zajmuje jej ok. 100 dni, czyli znacznie dłużej, niż w przypadku wielu egzoplanet badanych metodą tranzytową. Jej temperatura wynosi ok. 80 st. C. To za dużo, by nazwać ją przyjazną dla człowieka, ale w świecie gazowych olbrzymów to wynik wyjątkowo umiarkowany.
Dla porównania, Jowisz i Saturn są bardzo zimne, bo krążą daleko od Słońca. Z kolei gorące Jowisze, które astronomowie badają od lat, potrafią osiągać temperatury idące w setki i tysiące stopni, bo orbitują bardzo blisko swoich gwiazd. TOI-199b znajduje się pomiędzy tymi skrajnościami. Właśnie dlatego jest tak cenna.
Astronomowie znają tysiące egzoplanet, ale umiarkowane gazowe olbrzymy nadal są rzadkimi i trudnymi celami obserwacyjnymi. TOI-199b stała się pierwszą planetą tego typu, której atmosferę udało się zbadać bardzo szczegółowo. To ważne nie dlatego, że przypomina Ziemię, lecz dlatego, że pokazuje brakujące ogniwo między zimnymi olbrzymami znanymi z Układu Słonecznego a rozgrzanymi planetami krążącymi bardzo blisko innych gwiazd.
Metan potwierdza to, czego modele od dawna oczekiwały
Badania prowadził zespół Renyu Hu z Penn State i NASA JPL, a pierwszym autorem pracy jest Aaron Bello-Arufe z JPL. Co wniosła ich praca? Okazuje się, że w atmosferze TOI-199b wykryto metan, czyli związek węgla i wodoru. Występuje na gazowych i lodowych olbrzymach, a w umiarkowanych temperaturach powinien być kluczowym składnikiem atmosfery takich planet.
Detekcja metanu stanowi praktyczne potwierdzenie zdolności JWST do charakteryzacji atmosfer chłodniejszych egzoplanet, wykraczając poza dotychczasową klasę gorących obiektów o krótkich okresach orbitalnych. Jednocześnie wynik ten jest zgodny z przewidywaniami modeli chemii atmosferycznej, które dla umiarkowanych gazowych olbrzymów wskazywały metan jako istotny składnik, co Webb w przypadku TOI-199b bezpośrednio potwierdził.
W atmosferze gazowego olbrzyma metan jest przede wszystkim wskaźnikiem chemii, temperatury, składu i procesów mieszania. Pomaga zrozumieć, z czego zbudowana jest atmosfera, jak powstała planeta i jak ewoluowała po uformowaniu.
Jak Webb zobaczył atmosferę planety, której nie da się sfotografować?
Badacze nie wykonali bezpośredniego obrazowania atmosfery TOI-199b. Zastosowano tutaj spektroskopię tranzytową, czyli technikę polegającą na analizie światła gwiazdy filtrowanego przez atmosferę planety podczas jej przejścia na tle tarczy gwiazdy. Umożliwia to identyfikację składu chemicznego atmosfery na podstawie linii absorpcyjnych.
Podczas takiego tranzytu część światła gwiazdy przechodzi przez atmosferę planety. Atomy i cząsteczki obecne w tej atmosferze pochłaniają konkretne długości fal, zostawiając w widmie charakterystyczne odciski palców. JWST rozkłada światło na poszczególne długości fal, podobnie jak pryzmat rozdziela białe światło na kolory, a następnie astronomowie sprawdzają, które fragmenty światła zostały osłabione.
W przypadku TOI-199b było to szczególnie wymagające, bo sam tranzyt trwał ok. 7 godzin. Dla gorących Jowiszów, które krążą bardzo blisko gwiazd, tranzyty potrafią trwać około godziny lub niewiele dłużej. Tu trzeba było obserwować długo i precyzyjnie, a dodatkowo porównać sygnał z ok. 20 godzinami pomiarów światła gwiazdy poza tranzytem. Dopiero różnica między jednym, a drugim pokazała skład atmosfery.
To chłodniejszy olbrzym, więc chemia jest tu naprawdę bardzo ciekawa
Gorące Jowisze są spektakularne, ale ich atmosfery bywają ekstremalne. Wysoka temperatura niszczy część związków chemicznych albo przesuwa równowagę reakcji w stronę innych składników. Umiarkowany gazowy olbrzym sprawia, że można badać atmosferę w warunkach bliższych tym, które znamy z chłodniejszych planet Układu Słonecznego, ale przy gwieździe innej niż Słońce i w innym układzie planetarnym.
Pozwala to testować modele formowania planet. Skład atmosfery gazowego olbrzyma może zdradzać, gdzie planeta powstawała w dysku protoplanetarnym, czyli dysku gazu i pyłu otaczającym młodą gwiazdę. Może też mówić, ile cięższych pierwiastków trafiło do atmosfery, jak planeta migrowała i czy jej otoczka była mieszana przez procesy zachodzące w głębszych warstwach.
W zebranych danych widoczne są również wskazania obecności innych związków, w tym amoniaku i dwutlenku węgla, jednak precyzyjne określenie ich zawartości będzie wymagało dodatkowych obserwacji. Pojedyncza detekcja dostarcza jedynie częściowego obrazu, ale dopiero kompleksowy profil chemiczny atmosfery, obejmujący zestaw zidentyfikowanych związków i ich proporcje, umożliwia rzetelne porównanie z przewidywaniami modeli atmosferycznych.
TOI-199b może pomóc zrozumieć także Układ Słoneczny
Badania egzoplanet nie służą tylko opisywaniu dla samego opisania. Dają też lustro, w którym można lepiej zobaczyć planety naszego Układu Słonecznego. Jowisz i Saturn są tylko dwoma przykładami gazowych olbrzymów, które mamy pod ręką. Egzoplanety pokazują, jak szeroka może być paleta takich obiektów: od gorących, rozdętych globów po chłodniejsze światy na dalszych orbitach.
TOI-199b jest cenna, bo pozwala sprawdzić, czy prawa chemii atmosferycznej wyprowadzone z Układu Słonecznego działają także w innych warunkach. Jeśli umiarkowane gazowe olbrzymy mają wspólne cechy, naukowcy mogą budować ogólniejsze modele. Jeśli okażą się bardzo różne, trzeba będzie zrewidować założenia o tym, jak rosną i dojrzewają planety z grubymi atmosferami.
Przeczytaj także:
Takie modele mogą nawet pomóc w rozumieniu Ziemi, choć nie dlatego, że TOI-199b jest do niej podobna. Chodzi o ogólne procesy atmosferyczne: absorpcję światła, skład chemiczny, wymianę energii, rolę chmur, mgieł i pionowego mieszania gazów. Planety są różne, ale fizyka atmosfer jest wspólna.
