Το τηλεσκόπιο James Webb Μετρά Τη Θερμοκρασία Του Εξωπλανήτη TRAPPIST-1b

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) της NASA για να μετρήσει τη θερμοκρασία του βραχώδη εξωπλανήτη TRAPPIST-1 b. Η μέτρηση αυτή βασίζεται στη θερμική εκπομπή που προέρχεται από την επιφάνεια του πλανήτη: η θερμική ενέργεια που εκπέμπεται με τη μορφή υπέρυθρου φωτός ανιχνεύεται από το Mid-Infrared Instrument (MIRI) του JWST, με τα αποτελέσματα να δείχνουν ότι η προσήλια πλευρά του πλανήτη έχει θερμοκρασία περίπου 500 Κέλβιν (δηλαδή περίπου 227 βαθμούς Κελσίου) και υποδηλώνει ότι δεν έχει σημαντική ατμόσφαιρα.

Αυτή είναι η πρώτη ανίχνευση οποιασδήποτε μορφής φωτός που εκπέμπεται από έναν εξωπλανήτη σε μέγεθος και θερμοκρασία παρόμοια με τους βραχώδεις πλανήτες στο ηλιακό μας σύστημα. Το αποτέλεσμα σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα για τον προσδιορισμό του εάν οι πλανήτες που περιφέρονται γύρω από μικρούς ενεργούς αστέρες, όπως ο TRAPPIST-1, μπορούν να διατηρήσουν ατμόσφαιρες που απαιτούνται για την υποστήριξη της ζωής. Προμηνύει επίσης θετικά την ικανότητα του JWST να χαρακτηρίζει εύκρατους, εξωπλανήτες στο μέγεθος της Γης χρησιμοποιώντας το MIRI.

«Αυτές οι παρατηρήσεις εκμεταλλεύονται πραγματικά την ικανότητα του Webb στο μέσο υπέρυθρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος», δήλωσε ο Thomas Greene, αστροφυσικός στο Ames Research Center της NASA και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature. «Κανένα προηγούμενο τηλεσκόπιο δεν είχε την ευαισθησία για να μετρήσει τόσο αμυδρό μέσο υπέρυθρο φως».

Στις αρχές του 2017, αστρονόμοι ανέφεραν την ανακάλυψη επτά βραχωδών πλανητών σε τροχιά γύρω από ένα εξαιρετικά ψυχρό κόκκινο νάνο, ο οποίος βρίσκεται 40 έτη φωτός μακριά από τη Γη. Το αξιοσημείωτο με τους πλανήτες αυτούς είναι η ομοιότητά τους σε μέγεθος και μάζα με τους εσωτερικούς, βραχώδεις πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος. Αν και όλοι περιφέρονται πολύ πιο κοντά στον TRAPPIST-1 σε σχέση με οποιονδήποτε από τους πλανήτες μας γύρω από τον Ήλιο, λαμβάνουν συγκρίσιμες ποσότητες ενέργειας από το άστρο τους.

Ο TRAPPIST-1 b, ο πιο εσωτερικός πλανήτης, βρίσκεται σε απόσταση από το άστρο περίπου το ένα εκατοστό αυτής της Γης από τον Ήλιο και λαμβάνει περίπου τέσσερις φορές την ποσότητα ενέργειας που παίρνει η Γη. Αν και δεν βρίσκεται εντός της κατοικήσιμης ζώνης του συστήματος¹, οι παρατηρήσεις του πλανήτη μπορούν να παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τους υπόλοιπους πλανήτες του συστήματος, καθώς και για εκείνους άλλων παρόμοιων αστρικών συστημάτων.

«Υπάρχουν δέκα φορές περισσότερα από αυτά τα αστέρια στον Γαλαξία μας από όσα αστέρια όπως ο Ήλιος και είναι δύο φορές πιο πιθανό να έχουν βραχώδεις πλανήτες σε τροχιά γύρω από αυτούς», εξήγησε ο Greene. «Αλλά είναι επίσης πολύ δραστήριοι – είναι πολύ φωτεινοί όταν είναι νέοι και παράγουν εκλάμψεις και ακτίνες Χ που μπορούν να καταστρέψουν μια ατμόσφαιρα».

Προηγούμενες παρατηρήσεις του TRAPPIST-1 b με τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και Spitzer δεν βρήκαν αποδεικτικά στοιχεία για μια αραιή ατμόσφαιρα, αλλά ούτε ήταν σε θέση να αποκλείσουν την ύπαρξη μιας πυκνής ατμόσφαιρας.

Ένας τρόπος για να μειωθεί η αβεβαιότητα είναι η μέτρηση της θερμοκρασίας του πλανήτη. «Αυτός ο πλανήτης είναι παλιρροιακά κλειδωμένος, με τη μία πλευρά να κοιτάζει το αστέρι ανά πάσα στιγμή και την άλλη να βρίσκεται σε μόνιμο σκοτάδι», είπε ο Pierre-Olivier Lagage, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Αν υπάρχει ατμόσφαιρα ώστε να διαχέεται η θερμότητα, η μέρα θα είναι πιο δροσερή από ότι αν δεν υπάρχει ατμόσφαιρα».

Η ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται δευτερεύουσα φωτομετρία έκλειψης (secondary eclipse photometry), με την οποία το MIRI μέτρησε την αλλαγή στη φωτεινότητα από το σύστημα καθώς ο πλανήτης κινούνταν πίσω από το αστέρι. Αν και ο TRAPPIST-1 b δεν είναι αρκετά θερμός για να εκπέμπει το δικό του ορατό φως, έχει μία υπέρυθρη λάμψη. Αφαιρώντας τη φωτεινότητα του αστεριού που εκπέμπει από μόνο του από τη φωτεινότητα του άστρου και του πλανήτη μαζί, μπόρεσαν να υπολογίσουν με επιτυχία πόσο υπέρυθρο φως εκπέμπεται από τον πλανήτη.

Η ανίχνευση μιας δεύτερης έκλειψης από το JWST είναι από μόνη της μία σημαντική επιτυχία. Με το αστέρι πάνω από 1000 φορές πιο φωτεινό από τον πλανήτη, η αλλαγή στη φωτεινότητα είναι μικρότερη από 0,1%.

«Υπήρχε επίσης ο φόβος ότι θα χάναμε την έκλειψη. Όλοι οι πλανήτες έλκονται μεταξύ τους, επομένως οι τροχιές δεν είναι τέλειες», είπε ο Taylor Bell, ο μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Bay Area Environmental Research Institute που ανέλυσε τα δεδομένα. «Αλλά ήταν απλά εκπληκτικό: η χρονική στιγμή της έκλειψης που παρατηρήθηκε ταίριαζε με την προβλεπόμενη ώρα με σφάλμα μόλις λίγων λεπτών».

Η ομάδα ανέλυσε δεδομένα από πέντε ξεχωριστές δευτερεύουσες παρατηρήσεις έκλειψης. «Συγκρίναμε τα αποτελέσματα με υπολογιστικά μοντέλα που δίνουν τη θερμοκρασία του πλανήτη για διαφορετικά σενάρια», εξήγησε ο Ducrot. «Τα αποτελέσματα είναι σχεδόν απόλυτα συνεπή με ένα μελανό σώμα από βραχώδες υλικό και χωρίς ατμόσφαιρα για να κυκλοφορεί η θερμότητα. Επίσης, δεν είδαμε καθόλου γραμμές απορρόφησης διοξειδίου του άνθρακα, κάτι που θα ήταν εμφανές σε αυτές τις μετρήσεις».

Αυτή η έρευνα διεξήχθη ως μέρος του προγράμματος Webb Guaranteed Time Observation (GTO) 1177, το οποίο είναι ένα από τα οκτώ προγράμματα από το πρώτο έτος παρατηρήσεων του JWST που σχεδιάστηκε για να βοηθήσει στον πλήρη χαρακτηρισμό του συστήματος TRAPPIST-1. Πρόσθετες δευτερεύουσες παρατηρήσεις έκλειψης του TRAPPIST-1 b βρίσκονται αυτή τη στιγμή σε εξέλιξη και τώρα που είναι γνωστό πόσο ποιοτικά μπορεί να είναι τα δεδομένα, η ομάδα ελπίζει να καταγράψει μια καμπύλη που να δείχνει την αλλαγή στη φωτεινότητα για μια ολόκληρη τροχιά. Αυτό θα τους επιτρέψει να δουν πώς αλλάζει η θερμοκρασία από την ημέρα έως τη νύχτα και να επιβεβαιώσουν εάν ο πλανήτης έχει ατμόσφαιρα ή όχι.

«Υπήρχε ένας στόχος που ονειρευόμουν να πετύχω», είπε ο Lagage, ο οποίος εργάστηκε στην ανάπτυξη του οργάνου MIRI για πάνω από δύο δεκαετίες. «Και ήταν αυτός. Αυτή είναι η πρώτη φορά που μπορούμε να ανιχνεύσουμε την εκπομπή από έναν βραχώδη, εύκρατο πλανήτη. Είναι ένα πραγματικά σημαντικό βήμα στην ιστορία της ανακάλυψης εξωπλανητών».

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb είναι το πιο εξελιγμένο τηλεσκόπιο διαστημικής επιστήμης στον κόσμο. Θα λύσει μυστήρια στο ηλιακό μας σύστημα, θα κοιτάξει πέρα ​​από μακρινούς κόσμους γύρω από άλλα αστέρια και θα διερευνήσει τις μυστηριώδεις δομές και την προέλευση του Σύμπαντος και τη θέση μας σε αυτό. Το Webb αποτελεί μέρος ενός διεθνούς προγράμματος με επικεφαλής τη NASA με συνεργάτες την ESA (Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία) και την CSA (Καναδική Διαστημική Υπηρεσία). Στο MIRI συνεισέφεραν η NASA και η ESA, ενώ σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μέσω κοινής χρηματοδότησης Ευρωπαϊκών Ινστιτούτων και του Jet Propulsion Laboratory της NASA, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.

1: Βλέπε άρθρο για την κατοικήσιμη ζώνη γύρω από έναν αστέρα: https://2science.gr/habitable-zone/