JWST виявив атмосферу на планеті TRAPPIST-1e у зоні життя

Нещодавні спостереження за допомогою передового космічного телескопа JWST NASA виявили планету, розташовану на відстані 41 світлового року від Землі, яка може мати атмосферу. Ця планета обертається в межах зони придатності для життя — області навколо зірки, де температури дозволяють рідкій воді залишатися на поверхні скелястого тіла. Вода є важливою, оскільки становить одну з фундаментальних вимог для підтримання життя.

Якщо майбутні спостереження підтвердять ці результати, це стане першим випадком, коли скеляста планета в зоні придатності для життя зірки буде підтверджено як така, що має атмосферу. Дослідження детально описано у двох наукових роботах, опублікованих у журналі Astrophysical Journal Letters.

Зона придатності для життя характеризується частково температурним діапазоном, створеним теплом зірки. Планета повинна обертатися на правильній відстані, де умови не є надмірно спекотними чи холодними, що принесло цій області прізвисько «зона Золотовласки».

Однак правильна орбітальна відстань не є достатньою. Щоб утримувати рідку воду, екзопланети — світи, що обертаються навколо зірок за межами нашої Сонячної системи — зазвичай потребують атмосфери, здатної створювати парниковий ефект. Парникові гази поглинають і повторно випромінюють тепло, підтримуючи планету теплішою та запобігаючи втечі води в космос.

Разом з міжнародною командою колег дослідники спрямували найбільший телескоп у космосі, JWST NASA, на планету під назвою TRAPPIST-1e. Вони хотіли визначити, чи цей скелястий світ, який лежить у зоні придатності для життя своєї зірки, має атмосферу. Планета є однією з семи скелястих світів, які, як відомо, обертаються навколо малої, прохолодної «червоної карликової» зірки під назвою TRAPPIST-1.

Скелясті екзопланети поширені в нашій галактиці. Відкриття великої кількості скелястих планет у 2010-х роках космічними телескопами Kepler та TESS має глибокі наслідки для нашого місця у Всесвіті.

Більшість скелястих екзопланет, які ми знайшли досі, обертаються навколо червоних карликових зірок, які є набагато прохолоднішими за Сонце — зазвичай 2500 градусів Цельсія порівняно з 5600 градусами Цельсія Сонця. Це не тому, що планети навколо сонцеподібних зірок є рідкісними, просто існують технічні причини, чому легше знаходити та вивчати планети, що обертаються навколо менших зірок.

Червоні карлики також пропонують багато переваг, коли ми прагнемо виміряти властивості їхніх планет. Оскільки зірки прохолодніші, їхні зони придатності для життя, де температури сприятливі для рідкої води, розташовані набагато ближче порівняно з нашою Сонячною системою, оскільки Сонце набагато гарячіше. Таким чином, рік для скелястої планети з температурою Землі, що обертається навколо червоного карлика, може становити лише кілька днів або тиждень порівняно з 365 днями Землі.

Один зі способів виявлення екзопланет полягає у вимірюванні незначного затемнення світла, коли планета проходить транзитом або проходить перед своєю зіркою. Оскільки планети, що обертаються навколо червоних карликів, витрачають менше часу на завершення орбіти, астрономи можуть спостерігати більше транзитів за коротший проміжок часу, що полегшує збір даних.

Під час транзиту астрономи можуть виміряти поглинання від газів в атмосфері планети, якщо вона є. Поглинання стосується процесу, коли певні гази поглинають світло на різних довжинах хвиль, запобігаючи його проходженню. Це надає вченим спосіб виявлення того, які гази присутні в атмосфері.

Важливо, що чим менша зірка, тим більша частка її світла блокується атмосферою планети під час транзиту. Тому червоні карликові зірки є одними з найкращих місць для пошуку атмосфер скелястих екзопланет.

Розташована на відносно близькій відстані 41 світлового року від Землі, система TRAPPIST-1 привернула значну увагу з моменту її відкриття у 2016 році. Три планети — TRAPPIST-1d, TRAPPIST-1e та TRAPPIST-1f, третя, четверта та п'ята планети від зірки — лежать у зоні придатності для життя.

JWST проводить систематичний пошук атмосфер на планетах TRAPPIST-1 з 2022 року. Результати для трьох найближчих до зірки планет — TRAPPIST-1b, TRAPPIST-1c та TRAPPIST-1d — вказують на те, що ці світи, швидше за все, є голими скелями з тонкими атмосферами в кращому випадку. Але планети далі, які зазнають менше радіації та енергетичних спалахів від зірки, потенційно все ще можуть мати атмосфери.

Дослідники спостерігали TRAPPIST-1e, планету в центрі зони придатності для життя зірки, за допомогою JWST у чотири окремі періоди з червня по жовтень 2023 року. Вони одразу помітили, що їхні дані були сильно вражені так званим «зоряним забрудненням» від гарячих і холодних активних областей, подібних до сонячних плям, на TRAPPIST-1. Це вимагало ретельного аналізу для вирішення проблеми. Зрештою, команді знадобилося понад рік, щоб просіяти дані та відрізнити сигнал, що надходить від зірки, від сигналу планети.

Дослідники бачать два можливі пояснення того, що відбувається на TRAPPIST-1e. Найбільш захоплююча можливість полягає в тому, що планета має так звану вторинну атмосферу, що містить важкі молекули, такі як азот і метан. Але чотири спостереження, які вони отримали, ще недостатньо точні, щоб виключити альтернативне пояснення планети як голої скелі без атмосфери.

Якщо TRAPPIST-1e справді має атмосферу, це буде перший раз, коли вчені знайшли атмосферу на скелястій планеті в зоні придатності для життя іншої зірки.

Оскільки TRAPPIST-1e лежить твердо в зоні придатності для життя, густа атмосфера з достатнім парниковим ефектом могла б дозволити рідкій воді існувати на поверхні планети. Щоб встановити, чи є TRAPPIST-1e придатною для життя, дослідникам потрібно буде виміряти концентрації парникових газів, таких як вуглекислий газ і метан. Ці початкові спостереження є важливим кроком у цьому напрямку, але потрібні будуть додаткові спостереження з JWST, щоб бути впевненими, чи має TRAPPIST-1e атмосферу і, якщо так, виміряти концентрації цих газів.

На даний момент триває додаткових 15 транзитів TRAPPIST-1e, які мають завершитися до кінця 2025 року. Подальші спостереження використовують іншу стратегію спостереження, де дослідники націлюються на послідовні транзити TRAPPIST-1b, яка є голою скелею, та TRAPPIST-1e. Це дозволить їм використовувати голу скелю для кращого «відстеження» гарячих і холодних активних областей на зірці. Будь-яке надлишкове поглинання газів, що спостерігається лише під час транзитів TRAPPIST-1e, буде унікально спричинене атмосферою планети.

Таким чином, протягом наступних двох років дослідники повинні мати набагато краще уявлення про те, як TRAPPIST-1e порівнюється зі скелястими планетами нашої Сонячної системи.