Teleskop Webba wykrył dwutlenek węgla na planetach pozasłonecznych

Obserwacje z wykorzystaniem Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pokazały, że cztery planety układu HR 8799 zawierają znaczne ilości dwutlenku węgla. To pierwsze bezpośrednie obrazy CO2 na planetach pozasłonecznych uchwycone przez teleskop Webba.

Na czterech egzoplanetach układu HR 8799 Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba wykrył dwutlenek węgla. Światy te znajdują się w odległości około 130 lat świetlnych od Ziemi. Ten młody układ planetarny, jak szacują badacze, ma około 30 milionów lat i jest często wykorzystywany przez astronomów do badań nad formowaniem się planet.

Nowe obserwacje dostarczają też dowodów na to, że cztery duże planety systemu utworzyły się podobnie jak Jowisz i Saturn, w wyniku akrecji jądra, czyli poprzez powolne budowanie swojego jądra, które następnie przyciągnęło gaz z dysku protoplanetarnego. Obserwacje te potwierdzają również, że poprzez obrazowanie teleskopu Webba można wywnioskować chemię atmosfery egzoplanety, uzupełniając potężne narzędzia spektroskopowe teleskopu, które mogą precyzyjnie określić skład atmosfery.

Wyniki oraz opis obserwacji ukazał się na łamach pisma „The Astrophysical Journal” (DOI: 10.3847/1538-3881/adb1c6).

Dwutlenek węgla w układzie HR 8799

Uważa się, że gazowe olbrzymy w Układzie Słonecznym, jak Jowisz i Saturn, zaczynały od budowy swoich stałych jąder. Następnie jądra te zostały otoczone wodorem i helem i mozolnie gromadziły materię, osiągając swoje ogromne rozmiary.

Astronomowie nie są pewni, jak powszechne jest to zjawisko, dlatego ważne są obserwacje tego procesu w innych systemach. Dostrzeżenie szczegółów planet pozasłonecznych jest trudne, nawet dla teleskopu Webba. Jednak planety w układzie HR 8799 są młode i nadal bardzo gorące, co jest wynikiem procesów formowania. W rezultacie wytwarzają wystarczająco dużo promieniowania podczerwonego, aby można je było zobaczyć bezpośrednio. I częściowo scharakteryzować.

– Widać silne cechy dwutlenku węgla. Pokazaliśmy też, że w atmosferze tych planet istnieje znaczna ilość cięższych pierwiastków, takich jak węgiel, tlen i żelazo – powiedział William Balmer z Johns Hopkins University w Baltimore, główny autor badania. – Biorąc pod uwagę to, co wiemy na temat gwiazdy, wokół której orbitują, to prawdopodobnie wskazuje, że powstały drogą akrecji materiału wokół jądra, co dla planet, które możemy bezpośrednio obserwować, jest bardzo ekscytujące – dodał.

Formowanie się planet

Gazowe olbrzymy, jak Jowisz czy Saturn, formują się na dwa sposoby. Przynajmniej tak uważają astronomowie. Pierwszy, już wspomniany, to powolne budowanie jądra z cięższych pierwiastków, które następnie przyciągają gaz i pył. Drugi zachodzi, gdy cząsteczki gazu szybko łączą się w masywne obiekty w stygnącym dysku akrecyjnym młodej gwiazdy, który jest zbudowany głównie z tego samego rodzaju materiału co gwiazda. Pierwszy proces nazywa się akrecją jądra, a drugi niestabilnością dysku. Wiedza o tym, który model formowania jest bardziej powszechny, może dać naukowcom wskazówki, jak odróżnić typy planet, które znajdują w innych układach.

– Dzięki tego typu badaniom mamy nadzieję lepiej zrozumieć nasz własny Układ Słoneczny, życie i nas samych w porównaniu z innymi układami egzoplanetarnymi, abyśmy mogli kontekstualizować nasze istnienie. Chcemy robić zdjęcia innych układów planetarnych i zobaczyć, jak są podobne lub różne w porównaniu z naszym. Na tej podstawie możemy spróbować zrozumieć, jak dziwny lub jak normalny jest nasz Układ Słoneczny – powiedział Balmer.

Spośród prawie 6000 odkrytych egzoplanet, niewiele zostało bezpośrednio zobrazowanych, ponieważ nawet olbrzymie planety są przyćmiewane blaskiem swoich gwiazd. Obrazowanie HR 8799 było możliwe dzięki koronografowi NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni) Webba, który blokuje światło gwiazd, aby ujawnić ukryte światy.

Technologia ta pozwoliła zespołowi na poszukiwanie światła podczerwonego emitowanego przez planety w długościach fal pochłanianych przez określone gazy. Zespół odkrył, że cztery planety HR 8799 zawierają więcej ciężkich pierwiastków, niż wcześniej sądzono. Oprócz dwutlenku węgla, JWST wykrył tlenek węgla i metan w różnych ilościach między planetami, co sugeruje różnice w ich formowaniu.

Badania te torują drogę do bardziej szczegółowych obserwacji, w których będzie można ustalić, czy obiekty obserwowane na orbitach innych gwiazd, są rzeczywiście planetami, czy obiektami takimi jak brązowe karły, które powstają jak gwiazdy, ale nie gromadzą wystarczającej masy, aby wywołać syntezę jądrową.

Źródło: Johns Hopkins University/ NASA, fot. NASA, ESA, CSA, STScI, W. Balmer (JHU), L. Pueyo (STScI), M. Perrin (STScI)