Jak Webb widzi planety pozasłoneczne? Robi to na dwa sposoby. Ten drugi robi wrażenie

Oczywiście zawsze znajdą się malkontenci, którzy nie uwierzą w to co pokazują obrazy z teleskopu kosmicznego Webb, bo przecież to może być cokolwiek. Owszem nawet astronomowie swoje obserwacje oceniają w kategoriach prawdopodobieństwa, ale tym razem jest ono tak wysokie, że trudno byłoby znaleźć inne wytłumaczenie.

Warto zauważyć tutaj, że obserwacje Webba nie są pierwszymi tego typu w historii, jednakże dobitnie pokazują, że słusznie pokładamy w tym teleskopie nadzieje na ciekawe odkrycia dotyczące układów planetarnych.

Sposób pierwszy, czyli spektroskopowe obserwacje planety

O tym, że obserwacje spektroskopowe atmosfer planetarnych są w stanie dostarczyć nam informacji o ich składzie, a być może także zachodzących na planecie procesach, wiedziano już pod koniec XIX wieku. Wtedy jednakże mało kto myślał o planetach poza Układem Słonecznym. W naszym własnym na odkrycie czekał Pluton, a i gazowe giganty wciąż były dla ludzkości sporą zagadką.

Dziś, gdy już od ponad dwóch dekad, wykrywamy kandydatki na pozasłoneczne planety, możemy spekulować o ich budowie, a te spekulacje weryfikować właśnie poprzez obserwacje spektroskopowe.

Odległa o 700 lat świetlnych WASP-39b ma masę 4 razy mniejszą niż Jowisz, ale jest na tyle blisko swojej macierzystej gwiazdy (7.2 miliona km), że puchnie do rozmiarów 1.3 raza przekraczających rozmiar największej planety w Układzie Słonecznym

Wcześniej, wraz z paczką pierwszych obserwacji Webba, dostaliśmy widmo planety WASP-96b, w której atmosferze odkryto wodę. Z kolei Planeta WASP-39b jest szczególnie dobrze usytuowana względem macierzystej gwiazdy.

Fragment widma planety WASP-39b wskazujący na obecność dwutlenku węgla w atmosferze

Chodzi o to, że nie obserwujemy jedynie odbitego światła, ale światło, które przenika przez atmosferę tej planety. Znajduje się ona idealnie naprzeciwko gwiazdy, tak że w układzie WASP-39 mamy zaćmienia, a obserwacje widma dają sygnał świadczący o obecności dwutlenku węgla. Jest to pierwsza obserwacja tego związku w przypadku planety pozasłonecznej. Cząsteczki dwutlenku węgla blokują około 0.1% docierającego do nas światła. Niby niewiele, ale dla astronomów jest to bardzo silny sygnał.

Obserwacje spektroskopowe mogą przełożyć się na obserwacje krzywych blasku podczas tranzytu planety przed gwiazdą dla różnych długości fal promieniowania. Ich połączenie wygląda tak jak na wykresie powyżej

ESA donosi także o ogólnym sukcesie Webba w przypadku spektroskopowych obserwacji widma planety WASP-39b. Po raz pierwszy udało się zaobserwować widmo planety pozasłonecznej w szerokim zakresie fal elektromagnetycznych, w którym można wykryć także sygnatury wody i metanu. A jak wiemy te związki mogą być świadectwem różnych ciekawych rzeczy, które dzieją się w atmosferze. Szczególnie gdy dana planeta ma rozmiary zbliżone do rozmiarów Ziemi.

Sposób drugi, czyli wizualne obserwacje tarczy planetarnej

Być może kiedyś, gdy powstaną monstrualnych rozmiarów teleskopy (nawet większe niż GMT), uda się zbudować systemy interferometryczne o wystarczająco dużej rozdzielczości, albo będziemy w stanie wykorzystać grawitację Słońca jako gigantycznej soczewki, z pomocą czułych detektorów dojrzymy dość dokładnie powierzchnię takiego innego świata. Jednak dziś musimy zadowolić się faktem, że w ogóle możemy planetę pozasłoneczną na orbicie gwiazdy zaobserwować.

HIP 65426 b obserwowana w 2017 roku z Ziemi. To młoda planeta w wieku kilkunastu milionów lat

Nawet w momencie zaćmienia, ze względu na zbyt dużą odległość obserwatora planeta nie jest w stanie w wystarczającym stopniu przesłonić światła macierzystej gwiazdy, tak by wyeliminować jej blask przeszkadzający w obserwacjach. A gdyby nawet to było możliwe, to planety nie moglibyśmy i tak zobaczyć, gdyż obserwujemy ją przede wszystkim w odbitym świetle gwiazdy. I właśnie dlatego na pokładzie teleskopu Webb znalazły się koronografy, które blokują blask macierzystej gwiazdy i pokazują to co jest widoczne na jej orbicie.

Światło dobiegające od planety HIP 65426 b jest 10 tysięcy razy słabsze niż blask macierzystej gwiazdy w bliskiej podczerwieni, a kilka tysięcy razy słabsze w średniej podczerwieni

Nawet przy takiej technologii planeta, by ją było łatwo dostrzec, powinna mieć słuszne rozmiary, a także znajdować się stosunkowo daleko od swojej gwiazdy. Dlatego pierwszym celem Webba przy bezpośrednich obserwacjach stała się planeta HIP 65426 b o masie 6 do 8 razy większej od Jowisza (warto tu zauważyć, że pomimo różnicy w masie, rozmiar planety jest podobny do rozmiaru Jowisza). Odległość od macierzystej gwiazdy jest 100 razy większa niż odległość Ziemi od Słońca. Dla porównania Pluton w najdalszym punkcie swojej orbity jest dwa razy bliżej niż rzeczona planeta.

Gwiazdka oznacza pozycję gwiazdy HIP 65426 na zdjęciach z Webba wykonanych kolejno w promieniowaniu o długości fali 3, 4.4, 11.4 oraz 15.5 mikrometra (kolory nie są naturalne). Dla porównania najczerwieńsza barwa, którą widzi ludzkie oko ma długość 0.75 mikrometra. Jako podkładkę wykorzystano zdjęcie z przeglądu nieba DSS

Planetę HIP 65426 b obserwowano już wcześniej, w 2017 roku, przy pomocy teleskopu VLT i instrumentu SPHERE. Wtedy jednakże w udanych obserwacjach mocno przeszkadzała ziemska atmosfera. Obserwacje Webba w podczerwieni pozbawione są jej wpływu, dlatego obraz jest precyzyjniejszy.

Udostępnione zdjęcia pokazują obraz tej planety w czterech różnych długościach fal. Dwie obserwacje (po lewej) wykonano instrumentem NIRCam, a dwie (po prawej) instrumentem MIRI w średniej podczerwieni.

Źródło: ESA, foto z teleskopu VLT / ESO,  inf. własna