Когда JWST наконец начал свою долгожданную научную работу в июле 2022 года, список целей, ожидающих изучения, был длинным. Учёные конкурируют за время наблюдений, подавая заявки, и из каждых девяти поданных заявок одобряется только одна.
В последнем, четвёртом цикле миссии телескопа учёные запросили около 78 000 часов времени наблюдений, в то время как доступно было только около 8700 часов. Чтобы справиться с этим, заявки тщательно анализируются на предмет их ценности.
У JWST четыре основные научные темы, одна из них — «Планетарные системы и происхождение жизни». Система TRAPPIST-1 идеально подходит для наблюдений в рамках этой темы, и астрономы с нетерпением ждали запуска JWST, зная, что он в конечном итоге обратит свой инфракрасный взгляд на систему и её семь скалистых планет размером с Землю.
JWST уже наблюдал TRAPPIST-1 b, c и d. Его новая цель — TRAPPIST-1 e (T1e). T1e находится в обитаемой зоне звезды и считался наиболее вероятной планетой, способной сохранить поверхностную воду при различных потенциальных условиях.
Результаты наблюдений телескопа опубликованы в паре статей, опубликованных в The Astrophysical Journal Letters. Наблюдения продолжаются.
«TRAPPIST-1 e — одна из немногих скалистых экзопланет, которая поддаётся атмосферным характеристикам и находится в обитаемой зоне своей звезды — расположена на таком расстоянии от своей звезды, что при наличии подходящей атмосферы может поддерживать жидкую воду на поверхности», — говорится в первой статье.
JWST спектроскопически наблюдает атмосферы экзопланет в инфракрасном диапазоне. Его охват длин волн позволяет обнаруживать критически важные составляющие атмосферы, такие как водяной пар, углекислый газ, метан и аммиак. Эти молекулы являются ключевыми индикаторами атмосфер и играют большую роль в понимании того, как атмосферы формируются, развиваются и становятся потенциально пригодными для жизни.
«Инфракрасные инструменты Webb дают нам больше деталей, чем когда-либо прежде, и первые четыре наблюдения планеты e показывают нам, с чем нам придётся работать, когда поступит остальная информация», — сказал Нестор Эспиноза из Научного института космического телескопа. Эспиноза — ведущий автор одной из новых статей.
Первые четыре транзита показывают, что T1e потеряла свою первичную атмосферу из-за вспышек на звезде, вокруг которой она вращается. Но эти наблюдения также представляют несколько различных сценариев для планеты. Например, они не могут исключить возможность существования атмосферы, поскольку некоторые данные предполагают, что она у планеты есть. Планеты могут приобретать вторичные атмосферы после того, как их первичные атмосферы будут унесены. Так произошло на Земле.
На представленном выше графике хорошо представлены спектроскопические результаты JWST от четырёх транзитов T1e перед его звездой. В реальности данные далеко не так ясны, и их приходится анализировать глубоко, чтобы извлечь смысл.
Различия в четырёх спектрах выше, вероятно, связаны со вспышками на звезде. Как красный карлик, TRAPPIST-1 известен мощными вспышками, которые, вероятно, лишили первоначальные водородно-гелиевые атмосферы планет. Те же вспышки загрязняют спектры JWST.
«Наши передаточные спектры демонстрируют уровни звёздного загрязнения, аналогичные наблюдаемым в предыдущих работах для других планет в системе TRAPPIST-1, но в более широком диапазоне длин волн, демонстрируя сложность характеристики планет TRAPPIST-1 даже на относительно длинных волнах», — объясняют авторы первой статьи.
Атмосфера экзопланеты вряд ли будет состоять в основном из углекислого газа, как плотная атмосфера Венеры и тонкая атмосфера Марса. На самом деле она не похожа ни на одно тело в нашей Солнечной системе. Это неудивительно, поскольку сама звезда сильно отличается от нашего стабильного, основного компонента звезды.
«TRAPPIST-1 сильно отличается от нашего Солнца, и поэтому планетная система вокруг неё также сильно отличается, что бросает вызов как нашим наблюдательным, так и теоретическим предположениям», — сказала соавтор первого исследования Николе Льюис, доцент кафедры астрономии Корнельского университета.
Однако отсутствие обнаруженного углекислого газа может помешать планете испытать парниковый эффект. По словам исследователей, парниковый эффект может быть необходим для поддержания поверхностной воды на T1e. Но интерпретировать данные JWST сложно, а наблюдения неполны. Наблюдения не могут исключить некоторое количество углекислого газа, и его может быть достаточно для сохранения некоторого количества поверхностной воды.
«Немного парникового эффекта имеет большое значение», — сказала Льюис в пресс-релизе.
В статье второе моделирование спектров JWST предполагает наличие метана (CH4). Исключены толстые атмосферы, в которых преобладает метан, но не исключены более низкие концентрации CH4 при более высоком парциальном давлении N2.
«Если на TRAPPIST-1 e существует атмосфера, наши данные свидетельствуют о том, что она лучше всего соответствует относительно тяжёлому спектрально неактивному газу вместе с CH4», — пишут Глиттен и её соавторы во второй статье. «Однако мы подчёркиваем, что данные не подтверждают обнаружение атмосферы и не исключают её».
К счастью, запланировано 15 предстоящих наблюдений T1e, в которых будет представлено новое нововведение. Эспиноза, ведущий автор первой статьи, и соисследователь Натали Аллен из Университета Джона Хопкинса разработали способ получить более чёткое представление об атмосфере T1e с помощью JWST. Это связано с другой планетой TRAPPIST-1 — T1-b.
T1-b — ближайшая к звезде планета, и JWST уже наблюдал её. Астрономы уверены, что это просто голая скала без атмосферы. Она так близко к звезде, что звёздное обдирание практически неизбежно. Поскольку T1-b проходит транзитом по звезде прямо перед T1-e, астрономы могут сравнить спектры каждой планеты почти в одно и то же время.
Любые звёздные артефакты, присутствующие во время наблюдений, можно количественно определить по тому, как они проявляются в спектрах T1-b, а затем удалить из наблюдений T1-e. Таким образом, любые химические индикаторы, присутствующие в спектрах T1-e, могут быть подтверждены как часть его атмосферы.
«Мы действительно всё ещё находимся на ранних стадиях изучения того, какие удивительные научные открытия мы можем сделать с помощью Webb», — сказала Ана Глиттен. Глиттен — постдокторант в Институте Кавли Массачусетского технологического института и ведущий автор второй статьи. «Невероятно измерять детали звёздного света вокруг планет размером с Землю в 40 световых годах отсюда и узнавать, каково это может быть там, возможна ли там жизнь. Мы живём в новую эпоху исследований, и это очень увлекательно», — сказала она.
Пока четыре наблюдения JWST не могут точно определить, какова атмосфера T1e, они ограничивают возможности. Как и планировалось, мощный телескоп знаменует собой новую эру в век экзопланет. Мы перешли от простого их обнаружения к детальному изучению их атмосфер.
«Мы показываем, что с текущим набором данных мы не можем провести различие между атмосферой и безвоздушным сценарием для TRAPPIST-1 e», — пишут Эспиноза и его коллеги в своей статье, одновременно признавая, что они добились прогресса, ограничив возможности. «Однако наша работа подчёркивает, насколько JWST открывает новые горизонты в изучении состава атмосфер скалистых экзопланет в обитаемой зоне», — пишут они.