Kosmiczny smog skrywał całą planetę. Odkryto ją w słynnym układzie gwiezdnym

Międzynarodowy zespół naukowców, wykorzystując Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), odkrył nową egzoplanetę oznaczoną jako Beta Pictoris d. To pierwszy przypadek, gdy bezpośrednio sfotografowaną egzoplanetę wykryto przede wszystkim na podstawie charakterystycznego "chemicznego podpisu", a nie jasnego punktu widocznego na zdjęciu.

Odkrycie opisano na łamach czasopisma The Astrophysical Journal Letters.

Beta Pictoris znajduje się około 63 lata świetlne od Ziemi w gwiazdozbiorze Malarza. To bardzo młoda gwiazda, jej wiek szacuje się na zaledwie 23 mln lat. Dla porównania Słońce ma około 4,6 mld lat.

Młody wiek sprawia, że astronomowie mogą obserwować procesy przypominające narodziny Układu Słonecznego. Wokół gwiazdy znajduje się rozległy dysk pyłu i skalnych odłamków pozostałych po formowaniu planet. To właśnie ten dysk od dziesięcioleci przyciąga uwagę badaczy.

Już wcześniej wiadomo było, że wokół Beta Pictoris krążą dwa gazowe olbrzymy, Beta Pictoris b oraz Beta Pictoris c. Pierwsza z nich przeszła do historii jako jedna z pierwszych egzoplanet sfotografowanych bezpośrednio. Teraz do tej rodziny dołącza trzeci świat.

Tym samym Beta Pictoris stała się dopiero drugim znanym układem planetarnym, w którym udało się bezpośrednio potwierdzić istnienie aż trzech planet.

Najciekawsze jest jednak to, że astronomowie wcale nie prowadzili poszukiwań kolejnego obiektu.

Zespół korzystał z instrumentu NIRSpec znajdującego się na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, aby szczegółowo zbadać atmosferę znanej już planety Beta Pictoris b. Spektrograf analizował światło docierające z układu, rozkładając je na poszczególne długości fal.

To właśnie podczas tej analizy badacze zauważyli sygnał, którego nie potrafili wyjaśnić.

Zamiast spodziewanego gładkiego widma odbitego od pyłu pojawił się charakterystyczny zestaw linii absorpcyjnych tlenku węgla. Dla astronomów był to bardzo czytelny sygnał obecności atmosfery gazowego olbrzyma.

Nie chodziło więc o dostrzeżenie samej planety jako jasnego punktu na zdjęciu. Tym razem teleskop rozpoznał jej obecność dzięki związkom chemicznym unoszącym się w atmosferze.

Spektroskopia jest jedną z najpotężniejszych metod współczesnej astronomii. Analizując sposób, w jaki atmosfera pochłania określone długości fal światła, można określić jej skład chemiczny, temperaturę, a nawet prędkość poruszania się planety.

W przypadku Beta Pictoris d naukowcy od razu potwierdzili obecność tlenku węgla. Późniejsze obserwacje wykonane instrumentem MIRI ujawniły również parę wodną oraz metan.

To właśnie takie połączenie danych pozwoliło definitywnie potwierdzić, że odkryty obiekt jest egzoplanetą, a nie przypadkową gwiazdą tła, brązowym karłem czy strukturą znajdującą się w dysku pyłowym.

Nowa metoda ma ogromną zaletę. Już podczas pierwszej obserwacji dostarcza informacji nie tylko o samym istnieniu planety, lecz również o jej właściwościach fizycznych.

Może wydawać się zaskakujące, że planeta pozostawała niewidoczna mimo wieloletnich obserwacji jednego z najlepiej znanych układów planetarnych.

Powodem jest niezwykle jasny dysk pyłu otaczający Beta Pictoris. Rozprasza on światło gwiazdy niczym gęsta mgła samochodowe reflektory. W efekcie klasyczne techniki obrazowania mają trudności z odróżnieniem planety od otaczających ją struktur.

Spektroskopia pozwala jednak niejako odfiltrować pył i skupić się wyłącznie na charakterystycznych sygnaturach chemicznych obecnych w atmosferze planety. Dzięki temu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostrzegł obiekt, który przez lata skutecznie ukrywał się przed astronomami.

Według obecnych szacunków Beta Pictoris d ma co najmniej dwukrotnie większą masę od Jowisza. Choć jest najmniejszą z trzech znanych planet tego układu, nadal należy do grupy gazowych olbrzymów.

Najprawdopodobniej krąży w odległości około 30 jednostek astronomicznych od swojej gwiazdy. Dla porównania Neptun znajduje się średnio 30 jednostek astronomicznych od Słońca.

Nowa planeta porusza się więc po najbardziej odległej spośród znanych orbit w tym układzie, ale nadal znajduje się wewnątrz wewnętrznej krawędzi dysku pyłowego.

Astronomowie od dawna zastanawiali się, dlaczego dysk otaczający Beta Pictoris ma tak wyraźnie zarysowaną wewnętrzną krawędź oraz nietypowe zagęszczenia materii.

Modele komputerowe sugerowały, że za takie struktury może odpowiadać niewidoczna planeta, której grawitacja porządkuje ruch pyłu i skalnych odłamków.

Odkrycie Beta Pictoris d bardzo dobrze wyjaśnia te przewidywania. Wszystko wskazuje na to, że właśnie ten gazowy olbrzym odpowiada za część obserwowanych wcześniej zjawisk, których nie potrafiono wyjaśnić.

Do tej pory bezpośrednie odnajdywanie egzoplanet opierało się głównie na wykonywaniu zdjęć z wykorzystaniem koronografów, które zasłaniają światło gwiazdy. W przypadku nowych obserwacji Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pokazał, że równie skuteczną, a w niektórych sytuacjach nawet lepszą metodą może być poszukiwanie charakterystycznych śladów chemicznych obecnych w atmosferach planet.

To oznacza, że w najbliższych latach astronomowie mogą odnaleźć kolejne światy ukrywające się w gęstych dyskach pyłowych lub innych trudnych do obserwacji środowiskach, gdzie klasyczne techniki zawodzą.

Badacze zapowiadają już kolejne obserwacje Beta Pictoris d. Ich celem będzie dokładniejsze określenie temperatury planety, składu atmosfery oraz parametrów jej orbity. Każda nowa informacja pozwoli lepiej zrozumieć, jak powstają i ewoluują młode układy planetarne, a jednocześnie pomoże udoskonalić metody poszukiwania światów poza Układem Słonecznym.