Webb ilk kez kayalık bir ötegezegenin atmosferini buldu

55 Cancri e’deki lavlarla kaplı bir yüzeyden yükselen gaz, karbondioksit veya karbon monoksit bakımından zengin bir atmosferi besleyebilir.

Bu günlerde, Dünya’dan onlarca, hatta yüzlerce ışıkyılı uzaklıktaki bir gezegenin atmosferini tespit etmek çok da önemli görünmeyebilir. Bilim insanları son yirmi yılda düzinelerce dış gezegeni çevreleyen atmosferin kanıtlarını buldu. Sorun şu ki, bu gezegenlerin tümü kalın, hidrojenin hakim olduğu ve incelenmesi nispeten kolay olan atmosferlere sahip. Bazı küçük, kayalık ötegezegenleri çevreleyen ince gaz örtüleri hala anlaşılması zor.

Araştırmacılar, kayalık bir gezegeni çevreleyen zengin, uçucu atmosfere nihayet bir göz atmış olabileceklerini düşünüyor. Sıcak alanlardan yayılan ışık oldukça parlaktır ötegezegen 55 Cancri e, gezegenin yüzeyini kaplayan geniş bir lav okyanusundan akan, muhtemelen karbondioksit veya karbon monoksit bakımından zengin bir atmosfere dair ikna edici kanıtlar sunuyor.

Sonuç, güneş sistemimizin dışında kayalık bir gezegen için atmosferin varlığının şimdiye kadarki en iyi kanıtıdır.

Bu sanatçının konsepti, ötegezegen 55 Cancri e’nin neye benzeyebileceğini gösteriyor. Janssen olarak da adlandırılan 55 Cancri e, süper Dünya olarak adlandırılan, Dünya’dan çok daha büyük ancak Neptün’den daha küçük, yıldızının etrafında yalnızca 1,4 milyon mil (0,015 AU) uzaklıkta dönen ve tam bir yörüngeyi tamamlayan kayalık bir gezegendir. 18 saatten kısa sürede. (Merkür, Güneş’e kendi yıldızı 55 Cancri e’den 25 kat daha uzaktadır). Dört büyük gaz devi gezegeni de içeren bu sistem, Dünya’dan yaklaşık 41 ışıkyılı uzaklıkta, Yengeç takımyıldızında yer alıyor. Resim kredisi: NASA, ESA, Kanada Uzay Ajansı, Ralph Crawford (STScI)

Webb Uzay Teleskobu kayalık bir dış gezegeni çevreleyen olası bir atmosfere işaret ediyor

Araştırmacılar kullanıyor NASA‘S James Webb Uzay Teleskobu Dünya’dan 41 ışıkyılı uzaklıkta bulunan sıcak, kayalık bir ötegezegen olan 55 Cancri e’yi çevreleyen atmosferik gazları tespit etmiş olabilirler. Bu, güneş sistemimiz dışındaki herhangi bir kayalık gezegenin herhangi bir atmosfere sahip olduğunun şimdiye kadarki en iyi kanıtıdır.

Renew, NASA’nın Jet Propulsion Laboratuvarı’ndan (Jet Tahrik Laboratuvarı) Pasadena, Kaliforniya’da, 8 Mayıs’ta yayınlanan bir makalenin baş yazarıdır. doğa. Hu, “Webb, ötegezegenleri kayalık gezegenlere kadar tanımlamanın sınırlarını zorluyor” dedi. “Gerçekten yeni bir tür bilimi mümkün kılıyor.”

Süper Sıcak Dünya 55 Cancri E

Janssen olarak da bilinen 55 Cancri e, Yengeç takımyıldızında, Güneş benzeri yıldız 55 Cancri’nin etrafında dönen bilinen beş gezegenden biridir. Dünya’nın neredeyse iki katı çapa ve biraz daha büyük yoğunluğa sahip olan gezegen, süper Dünya olarak sınıflandırılıyor: Dünya’dan daha büyük ve Dünya’dan daha küçük. NeptünMuhtemelen güneş sistemimizdeki kayalık gezegenlere bileşim bakımından benzerler.

Ancak 55 Cancri e’yi “kayalık” olarak tanımlamak yanlış bir izlenim bırakabilir. Gezegen, yıldızına yakın bir yörüngede dönüyor (yaklaşık 1,4 milyon mil veya Merkür ile Güneş arasındaki mesafenin 20/25’i) ve yüzeyi muhtemelen erimiş, yani köpüren bir magma okyanusu. Bu kadar dar bir yörüngeye sahip olan gezegen aynı zamanda muhtemelen gelgit açısından kilitlenmiş durumda; gündüz tarafı her zaman yıldıza dönük, gece tarafı ise sürekli karanlıkta.

Geçişi 2011’de keşfedildiğinden bu yana yapılan çok sayıda gözleme rağmen, 55 Cancri e’nin bir atmosferi olup olmadığı, hatta abilir Bunlardan biri, yüksek sıcaklığı ve yıldız radyasyonunun ve yıldızından gelen rüzgarların sürekli saldırısı nedeniyle cevapsız kaldı.

New Mexico Üniversitesi’nden dış gezegen araştırmacısı ve çalışmanın ortak yazarı Diana Dragomir, “On yıldan fazla bir süredir bu gezegen üzerinde çalışıyorum” dedi. “Aldığımız geri bildirimlerden hiçbirinin bu gizemlere sağlam bir çözüm getirmemesi gerçekten sinir bozucuydu. Nihayet bazı yanıtlara sahip olduğumuza sevindim!”

Tespit edilmesi nispeten kolay olan gaz devi gezegenlerin atmosferlerinin aksine ( İlk kez ortaya çıktı NASA tarafından Hubble uzay teleskobu Yirmi yılı aşkın bir süredir kayalık gezegenleri çevreleyen daha ince, daha yoğun atmosferler bulunması zor bir konu olarak kaldı.

NASA’nın artık kullanımdan kaldırılan Spitzer Uzay Teleskobu’ndan elde edilen verileri kullanan 55 Cancri e ile ilgili daha önceki çalışmalar, oksijen, nitrojen ve karbondioksit gibi uçucu maddeler (Dünya’da gaz halinde bulunan moleküller) açısından zengin geniş bir atmosferin varlığını öne sürmüştü. Ancak araştırmacılar başka bir olasılığı da göz ardı edemedi: gezegenin, silikon, demir, alüminyum ve kalsiyum gibi elementler açısından zengin, buharlaşmış kayalardan oluşan kırılgan bir örtü dışında boş olduğu. Ho, “Gezegen o kadar sıcak ki erimiş kayaların bir kısmı buharlaşmış olmalı” diye açıkladı.

Bu ışık eğrisi, sistemdeki bilinen beş gezegenden en yakını olan kayalık gezegen 55 Cancri e yıldızın arkasında hareket ederken 55 Cancri sisteminin parlaklığındaki değişimi gösteriyor. Bu olaya ikincil tutulma adı veriliyor.
Gezegen yıldıza yakın olduğunda, hem yıldızdan hem de gezegenin gündüz tarafından gelen orta kızılötesi ışık teleskopa ulaşarak sistemin daha parlak görünmesini sağlar. Gezegen yıldızın arkasında olduğunda gezegenden gelen ışık engellenir ve teleskopa yalnızca yıldızın ışığı ulaşır, bu da görünen parlaklığın azalmasına neden olur.
Gökbilimciler, gezegenin gündüz tarafından ne kadar kızılötesi ışık geldiğini hesaplamak için yıldızın parlaklığını yıldız ve gezegenin toplam parlaklığından çıkarabilirler. Bu daha sonra gündüz sıcaklığını hesaplamak ve gezegenin bir atmosferi olup olmadığını anlamak için kullanılıyor.
İmaj kredisi: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Kızılötesi renklerdeki ince farkları ölçün

Ekip, iki olasılığı birbirinden ayırmak için Webb’in NIRCam’ini (yakın kızılötesi kamera) ve MIRI’yi (orta kızılötesi cihaz) kullanarak gezegenden gelen 4 ila 12 mikron arasındaki kızılötesi ışığı ölçtü.

Webb, 55 Cancri e’nin doğrudan görüntüsünü alamasa da, gezegen yıldızın yörüngesinde dönerken sistemden gelen ışıkta meydana gelen hafif değişiklikleri ölçebiliyor.

Ekip, gezegen yıldızın arkasındayken (yalnızca yıldız ışığı) ikincil tutulma sırasındaki parlaklığı (yukarıdaki resme bakın), gezegen yıldızın hemen yanındayken (yıldız ve gezegenden gelen ışık birlikte) parlaklıktan çıkararak, ekip Gezegenin gündüz kısmından gelen kızılötesi ışığın farklı dalga boylarındaki ışınların miktarını hesaplayabildi.

İkincil tutulma spektroskopisi olarak bilinen bu yöntem, diğer araştırma ekipleri tarafından TRAPPIST-1 b gibi diğer kayalık dış gezegenlerdeki atmosferleri aramak için kullanılan yönteme benzer.

Kasım 2022’de Webb NIRCam (Yakın Kızılötesi Kamera) ve Mart 2023’te MIRI (Orta Kızılötesi Cihaz) tarafından yakalanan termal emisyon spektrumu, yayılan kızılötesi ışığın (x ekseni) farklı dalga boylarının parlaklığını (y ekseni) gösterir. Dev dış gezegen 55 Cancri e tarafından. Spektrum, gezegenin sadece buharlaşmış kayalar değil, karbondioksit veya karbon monoksit ve diğer uçucu maddeler açısından da zengin bir atmosferle çevrili olabileceğini gösteriyor.
Grafik, NIRCam (turuncu noktalar) ve MIRI (mor noktalar) tarafından toplanan verileri iki farklı modelle karşılaştırır. Kırmızı renkli Model A, 55 Cancri e’nin buharlaşan kayalardan oluşan bir atmosferi olsaydı emisyon spektrumunun nasıl görünmesi gerektiğini gösteriyor. Mavi renkli Model B, gezegenin, Dünya’nın mantosuna benzer uçucu içeriğe sahip bir magma okyanusundan yayılan uçucu maddeler açısından zengin bir atmosfere sahip olması durumunda emisyon spektrumunun nasıl görünmesi gerektiğini gösterir. MIRI ve NIRCam verileri uçucu zengin modelle tutarlıdır.
Gezegenin yaydığı orta kızılötesi ışık miktarı (MIRI), gündüz sıcaklığının, ısıyı gündüz tarafından gece tarafına dağıtacak bir atmosfere sahip olmasaydı olacağından çok daha düşük olduğunu gösteriyor. Spektrumun 4 ila 5 mikron arasındaki düşüşü (NIRCam verileri), bu dalga boylarının atmosferdeki karbon monoksit veya karbondioksit molekülleri tarafından emilmesiyle açıklanabilir.
Resim katkıları: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Chicago Üniversitesi), Mantas Zilinskas (SRON)

Beklenenden daha soğuk

55 Cancri e’nin önemli bir atmosfere sahip olabileceğinin ilk göstergesi, termal emisyonuna (yukarıdaki resme bakın) veya kızılötesi ışık biçiminde yayılan termal enerjiye dayalı sıcaklık ölçümlerinden geldi. Eğer gezegen, ince bir buharlaşmış kaya örtüsüne sahip koyu renkli, erimiş kayalarla kaplıysa veya hiç atmosfer yoksa, gündüz tarafı yaklaşık 4.000 derece olmalıdır. F (~2200 derece santigrat).

“Bunun yerine, MIRI verileri yaklaşık 2.800 Fahrenheit derecelik nispeten düşük bir sıcaklık gösterdi [~1540 degrees Celsius]dedi. “Bu, enerjinin gündüz tarafından gece tarafına, büyük olasılıkla değişken, zengin bir atmosfer aracılığıyla dağıtıldığının çok güçlü bir göstergesidir.” Lav akıntıları gece tarafına bir miktar ısı taşısa da, soğutma etkisini hesaba katacak kadar verimli bir şekilde hareket ettiremezler.

Ekip NIRCam verilerine baktığında zengin ve değişken bir atmosferle tutarlı desenler gördü.

NASA JPL’den ortak yazar Aaron Bello-Aroff, “Spektrumda 4 ila 5 mikron arasında bir düşüşün kanıtını görüyoruz ve bu ışığın daha azı teleskopa ulaşıyor” dedi. “Bu, ışığın bu dalga boylarını emen, karbon monoksit veya karbondioksit içeren bir atmosferin varlığını gösterir.” Atmosferi olmayan veya yalnızca buharlaşmış kayalardan oluşan bir atmosferi olan bir gezegenin bu spesifik spektral özelliği olmayacaktır.

Leiden Gözlemevi ve Hollanda Uzay Araştırmaları Enstitüsü’nden (SRON) ortak yazar Yamila Miguel, “Son 10 yılımızı farklı senaryoları modelleyerek, bu dünyanın nasıl görünebileceğini hayal etmeye çalışarak geçirdik” dedi. “Sonunda, paha biçilmez çalışmalarımızın onayını aldık!”

Köpüren magma okyanusu

Ekip, 55 Cancri e’yi kaplayan gazların, gezegen oluştuğundan beri mevcut olmak yerine, içeriden ortaya çıkacağına inanıyor. Bello-Arov, “Yıldızdan gelen yüksek sıcaklık ve yoğun radyasyon nedeniyle çekirdek atmosferi uzun zaman önce yok olmuş olurdu” dedi. “Bu, magma okyanusu tarafından sürekli olarak yenilenen ikincil bir atmosfer olacak. Magma sadece sıvı kristaller ve kayalardan ibaret değil; aynı zamanda içinde çözünmüş çok fazla gaz da var.

55 Cancri e yaşanabilir olamayacak kadar sıcak olsa da araştırmacılar bunun atmosfer, kayalık gezegenlerin yüzeyleri ve iç kısımları arasındaki etkileşimleri incelemek için benzersiz bir pencere sağlayabileceğine ve belki de Dünya’nın erken dönem koşullarına dair fikir verebileceğine inanıyor. VenüsVe MarsUzak geçmişte magma okyanuslarıyla kaplı olduğuna inanılıyor. Hu, “Sonuçta, kayalık bir gezegenin gaz bakımından zengin bir atmosferi sürdürmesini hangi koşulların mümkün kıldığını anlamak istiyoruz: bu, yaşanabilir bir gezegen için temel bir bileşendir” dedi.

Bu araştırma, 1952 tarihli Genel Gözlemciler (GO) Webb Programının bir parçası olarak gerçekleştirildi. 55 Cancri e’nin ek ikincil tutulma gözlemleri şu anda analiz ediliyor.

Referans: Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher tarafından yazılan “Kayalık dış gezegen 55 Cancri e’de ikincil bir atmosfer” , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker ve Bryce Olivier Demauri, 8 Mayıs 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

James Webb Uzay Teleskobu dünyanın önde gelen uzay bilimi gözlemevidir. Webb, güneş sistemimizin gizemlerini çözüyor, diğer yıldızların etrafındaki uzak dünyaların ötesine bakıyor ve evrenimizin gizemli yapılarını, kökenlerini ve onun içindeki yerimizi araştırıyor. WEB, NASA’nın ortakları Avrupa Uzay Ajansı (ESA) ile birlikte yürüttüğü uluslararası bir programdır.Avrupa Uzay Ajansı) ve Kanada Uzay Ajansı.