Обнаружение экзопланет
Обнаружение экзопланет — это одно, а их визуализация — совсем другое. Астрономы могут обнаружить их по тому, как они блокируют свет своей звезды и заставляют её колебаться, и на основании этого могут сделать множество выводов. Но это не то же самое, что увидеть их.
Поиск экзопланет
Поиск экзопланет, в том числе с помощью метода транзитов и метода радиальной скорости, сопряжён с систематическими ошибками наблюдений, и учёные это знают. У всех методов есть ограничения. Золотым стандартом обнаружения экзопланет, вероятно, является прямое наблюдение, которое гораздо менее подвержено систематическим ошибкам.
Научные задачи JWST
При разработке JWST ему были заданы четыре научные темы. Одна из них — рождение звёзд и протопланетных систем. «JWST уникален тем, что способен решить эти загадки благодаря сочетанию своих режимов наблюдения с высоким разрешением, возможностям визуализации, спектроскопии и коронаграфической съёмке, а также превосходной чувствительности в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне», — пишет Научный институт космического телескопа.
Возможности мощного телескопа
Мощный телескоп во многом оправдал возложенные на него надежды. Он использовал свои коронаграфические режимы NIRCam и MIRI для прямой визуализации молодых экзопланет с массой меньше массы Юпитера и зрелых газовых гигантов. Но эти режимы не смогли обнаружить планеты, подобные Юпитеру и Сатурну в нашей Солнечной системе, которые холоднее и находятся дальше от своей звезды.
Новое исследование
Новое исследование говорит о том, что, возможно, существует способ, с помощью которого JWST сможет обнаружить планеты, подобные нашим газовым гигантам.
Исследование под названием «NIRCam кричит на облаке: JWST MIRI Imaging Can Directly Detect Exoplanets of the Same Temperature, Mass, Age, and Orbital Separation as Saturn and Jupiter» опубликовано в журнале «The Astrophysical Journal Letters». Ведущий автор — Рэйчел Боуэнс-Рубин, постдокторант кафедры астрономии Мичиганского университета.
Авторы пишут, что NIRCam и MIRI успешно продемонстрировали способность напрямую визуализировать молодые экзопланеты с массой меньше массы Юпитера и зрелые газовые гиганты. Однако этим режимам сложно достичь чувствительности, необходимой для обнаружения популяции холодных гигантских планет, похожих на планеты-гиганты в нашей Солнечной системе (Teff = 60–125 K, a = 5–30 а. е.).
Авторы пишут, что впервые исследуют использование высококонтрастной съёмки JWST в ближнем инфракрасном диапазоне без коронаграфии для визуализации экзопланет. Программа основана на общих наблюдениях JWST «Cool Kids on the Block».
Программа «Cool Kids on the Block»
Эта программа ориентирована на газовых гигантов и ледяных гигантов, вращающихся вокруг маломассивных звёзд с массами от 0,08 до 0,45 массы Солнца. Это красные карлики (M-карлики) в пределах 6 парсеков (19,5 световых лет).
Авторы пишут: «Мы демонстрируем, что 21-микрометровое MIRI-изображение может обнаружить планеты с той же температурой, массой, возрастом и орбитальным разделением, что и Сатурн и Юпитер».
Учёные-планетологи хотят найти метод обнаружения этих планет, потому что они недостаточно представлены в известной популяции экзопланет. Наша Солнечная система может быть аномалией, но есть намёки на то, что холодные гиганты, подобные Юпитеру и Сатурну, существуют и в других системах.
Исследование 2021 года
Исследование 2021 года, основанное на микролинзировании, показало, что в каждой Солнечной системе может быть в среднем 1,5 маломассивных планет-гигантов. Опросы по радиальной скорости также показали, что планеты-гиганты с массой меньше массы Юпитера более распространены, чем планеты-гиганты с массой больше массы Юпитера. Они могут быть сгруппированы вблизи линии водяного снега.
«Если эти тенденции сохранятся, маломассивные холодные планеты-гиганты могут быть одними из самых распространённых типов экзопланет в галактике», — пишут авторы.
Исследователи сосредоточились на трёх системах из программы наблюдений JWST «Cool Kids on the Block»: Wolf 359, EV Lac и AD Leo, хотя коронаграфия NIRCam не смогла завершить свои наблюдения за AD Leo.
Режимы наблюдений
Мид-инфракрасный прибор JWST имеет четыре режима наблюдений, и исследователи использовали в своей работе режим широкополосной визуализации F2100W. «Режим визуализации MIRI F2100W был выбран для того, чтобы воспользоваться чувствительностью JWST на длинах волн, на которых ожидается, что холодные (80–200 K) планеты будут самыми яркими, а облака не будут подавлять излучение», — объясняют исследователи в своём письме.
Исследователи также изучили, как облачные атмосферы экзопланет могут влиять на обнаружение планет-гигантов, поскольку облака могут блокировать инфракрасное излучение. Они создали сетку моделей как с облачными, так и с безоблачными атмосферами. «Мы обнаружили, что измеренные спектры Юпитера и Сатурна лучше всего воспроизводятся комбинацией ясных и облачных атмосферных моделей», — объясняют они.
Визуализация MIRI превосходила коронаграфию NIRCam для систем в пределах примерно 20 парсеков (65 световых лет). Этот прорыв показывает, что стандартный режим визуализации MIRI на длине волны 21 мкм работает лучше, чем коронаграфия, при обнаружении холодных гигантов. Более длинные волны MIRI создают соотношение контраста между планетой и звездой, которое лучше, чем в ближнем инфракрасном диапазоне.
Эта работа показывает, что JWST способен визуализировать аналоги Юпитера и Сатурна. Она также показывает, что будущие наблюдения JWST в сочетании с текущими усилиями по улучшению методов обработки данных могут повысить чувствительность визуализации MIRI.
«Этот прорыв открывает путь к первой прямой характеристике холодных экзопланет-гигантов, аналогичных планетам-гигантам в Солнечной системе», — пишут исследователи. Они продемонстрировали, что JWST может напрямую визуализировать планеты, подобные Юпитеру и Сатурну, которые, вероятно, недостаточно представлены в нашем понимании популяции экзопланет.
По сравнению с другими солнечными системами и архитектурами экзопланет, которые мы наблюдали, наша Солнечная система может показаться аномалией. Но если прямая визуализация MIRI сможет обнаружить больше экзо-Юпитеров и экзо-Сатурнов, наша система будет казаться более «нормальной».
«Стратегии, изложенные в этой работе, указывают путь к обнаружению потенциально значительной популяции холодных маломассивных планет-гигантов, а будущие прямые наблюдения этих планет открывают путь к тому, чтобы поместить нашу Солнечную систему в более широкий контекст планетарных систем по всей галактике», — заключают исследователи.
Предоставлено Universe Today.