Gorący Saturn HAT-P-18 i jego tajemnice
Astronomom udało się poznać atmosferę egzoplanety HAT-P-18 b. Planeta typu <<gorący Satrun>> ujawniła mieszankę gazów z jakich się składa, a nawet to jak wpływa na nią lokalna gwiazda.
Egzoplanety, czyli planety znajdujące się poza naszym Układem Słonecznym, pomagają zgłębić tajemnice otaczającego Wszechświata. Pomimo tego, że nie są podobne do Ziemi, duże gazowe olbrzymy znajdujące się bardzo blisko swoich gwiazd są idealnymi celami testowymi dla teleskopów takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Dzięki nim astronomowie mogą udoskonalić metody wykrywania i zrozumienia egzoplanet.
Jedną z takich planet jest HAT-P-18 b, planeta typu „gorący Saturn” znajdująca się w odległości ponad 500 lat świetlnych od Ziemi, o masie podobnej do Saturna, ale rozmiarze zbliżonym do Jowisza. Dzięki temu egzoplaneta posiada rozbudowną atmosferę, która dla astronomów jest idealna do analizy.
Kierowany przez naukowców z Trottier Institute for Research on Exoplanets na McGill University i Université de Montréal (UdeM), zespół badawczy wykorzystał dane uzyskane przy pomocy Teleskopu Webba do zbadania HAT-P-18 b. Badanie zostało opisane w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
„Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zapewnia obserwacje egzoplanet tak precyzyjne, że jesteśmy ograniczeni naszym zrozumieniem ich gwiazd macierzystych. Na szczęście te same dane – zwłaszcza w przypadku wyprodukowanego w Kanadzie instrumentu NIRISS – pozwalają nam odkryć, co robi gwiazda podczas naszych obserwacji i skorygować to, abyśmy mogli dowiedzieć się dokładnie, co znajduje się w atmosferach badanych planet” – mówi Nicolas Cowan, profesor na Wydziale Nauk o Ziemi i Planetariach Uniwersytetu McGill.
Obserwacje z Teleskopu Webba zostały wykonane, gdy egzoplaneta HAT-P-18 b przechodziła przed swoją gwiazdą podobną do Słońca. Moment ten nazywany jest tranzytem i ma kluczowe znaczenie dla wykrycia i dalszego scharakteryzowania egzoplanety z odległości setek lat świetlnych z zaskakującą precyzją. Astronomowie nie obserwują światła emitowanego bezpośrednio przez odległą planetę. Badają to, w jaki sposób światło gwiazdy centralnej jest blokowane i zakłócane przez krążącą wokół niej planetę.
Astronomowie poszukujący egzoplanet muszą zmierzyć się z wyzwaniem polegającym na oddzieleniu sygnałów spowodowanych obecnością planety od sygnałów spowodowanych właściwościami gwiazdy.
Podobnie jak ziemski Słońce gwiazdy nie mają jednolitej powierzchni. Mogą mieć ciemne plamy i jasne regiony, tworząc sygnały, które naśladują atrybuty atmosferyczne planety. Przykładem mogą być badania egzoplanety TRAPPIST-1 b i jej gwiazdy TRAPPIST-1 prowadzonych przez doktorantkę Olivię Lim, w czasie których erupcje lub rozbłyski na powierzchni gwiazdy wpłynęły na obserwacje.
W przypadku planety HAT-P-18 b, Webb uchwycił egzoplanetę w momencie, gdy przechodziła nad ciemną plamą swojej gwiazdy, HAT-P-18. To zdarzenie nazywa się „krzyżowania plam”, a jego efekt był widoczny w zebranych danych. Zespół odnotował również obecność wielu innych plam na powierzchni HAT-P-18, które nie zostały zablokowane przez egzoplanetę.
Aby dokładnie określić skład atmosfery egzoplanety, naukowcy stwierdzili, że konieczne jest jednoczesne modelowanie atmosfery planety, a także osobliwości gwiazdy. Stwierdzili, że takie rozważania będą miały kluczowe znaczenie w traktowaniu przyszłych obserwacji egzoplanet z wykorzystaniem JWST, aby w pełni wykorzystać ich potencjał.
Po dokładnym modelowaniu zarówno egzoplanety, jak i gwiazdy w układzie HAT-P-18, zespół astronomów przeprowadził następnie skrupulatną analizę składu atmosfery HAT-P-18 b.
Badając światło przechodzące przez atmosferę egzoplanety podczas jej tranzytu przez gwiazdę macierzystą, naukowcy wykryli obecność pary wodnej (H2O) i dwutlenku węgla (CO2). Naukowcy wykryli również możliwą obecność sodu.
Badacze zaobserwowali silne oznaki pokładu chmur w atmosferze HAT-P-18 b, który wydaje się wyciszać sygnały wielu jej cząsteczek. Stwierdzono również, że powierzchnia gwiazdy była pokryta wieloma ciemnymi plamami, które mogą znacząco wpływać na pozyskane dane.
Wcześniejsza analiza tych samych danych pozyskanych z JWST przeprowadzona przez zespół z Johns Hopkins University również wykazała obecność wody i CO2, ale także małych cząstek na dużych wysokościach zwanych zamgleniami oraz metanu (CH4).
Praca astronomów z Université de Montréal, w której po raz pierwszy uwzględniono charakterystykę powierzchni gwiazdy wraz z atmosferą planety, ujawniła inny obraz. Detekcja CH4 nie została potwierdzona, a ustalona obfitość wody była dziesięciokrotnie niższa niż poprzednio.
Okazało się również, że wykryte w poprzednim badaniu zamglenia mogły być spowodowane przez plamy na powierzchni gwiazdy, co podkreśla znaczenie uwzględnienia gwiazdy w analizie.
Podczas gdy cząsteczki takie jak woda, dwutlenek węgla i metan mogą być interpretowane jako biosygnatury lub oznaki życia, w pewnych proporcjach lub w połączeniu z innymi cząsteczkami, palące temperatury HAT-P-18 b wynoszące blisko 600 stopni Celsjusza nie wskazują na możliwość utrzymania życia przez planetę.
Dane wykorzystane z JWST w tym badaniu zostały zebrane przez kanadyjski instrument NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), który pozwolił astronomom odróżnić cechy atmosferyczne HAT-P-18 b od właściwości gwiazdy.
Wyniki pokazują, że obserwacje wykonane w zakresie od dalekiej widzialności do bliskiej podczerwieni w zakresie długości fal instrumentu NIRISS są niezbędne do oddzielenia sygnałów z atmosfery planety i gwiazdy. Przyszłe obserwacje z innego instrumentu JWST, spektrografu bliskiej podczerwieni (NIRSpec), pomogą udoskonalić wyniki, takie jak detekcja CO2, i rzucą jeszcze więcej światła na egzoplanety typu „gorący Saturn”.
Emil Gołoś
