James Webb -avaruusteleskooppi (JWST) on keskeisessä roolissa mittaamalla näiden kohtuullisten planeettojen lämpösäteilyä. Ensimmäisessä havaintokampanjassa λ=15 µm:ssa havaittiin TRAPPIST-1 b:n päiväpuolella lämpötila 503 K, mikä viittaa ilmakehän puuttumiseen ja erittäin tumman pinnan olemassaoloon.
Kuitenkin toisen kampanjan havaintojen perusteella λ=12,8 µm:ssa, tämä uusi tutkimus, jonka on toteuttanut CEA Paris-Saclayn IRFU:n astrofysiikan osasto, on mitannut huomattavasti alhaisemman lämpötilan kuin edellisessä skenaariossa odotettiin, mikä pakottaa tutkijat tutkimaan uusia mahdollisuuksia.
Kuva 1 - Taiteellinen kuva TRAPPIST-1 b:stä juuri ennen kuin se kulkee punaisen ja kylmän kääpiötähtensä TRAPPIST-1:n taakse.
Nämä tähdet ovat tunnettuja aktiivisuudestaan, suurista tähtilaikuistaan ja purkauksistaan, jotka voivat häiritä mittauksia.
Luotto: Thomas Müller (HdA/MPIA)
Nämä tähdet ovat tunnettuja aktiivisuudestaan, suurista tähtilaikuistaan ja purkauksistaan, jotka voivat häiritä mittauksia.
Luotto: Thomas Müller (HdA/MPIA)
Yhden mahdollisuuden joukossa on hiilidioksidipitoisen ja sumuisen ilmakehän olemassaolo, vaikka ultramafisen vulkaanisen pinnan skenaario vaikuttaa todennäköisemmältä. Tämän mysteerin ratkaisemiseksi on käynnistetty uusi havaintovaihe, jonka tavoitteena on seurata planeetan valovirtaa sen koko radan ajan.
Tämä tulos on julkaistu arvostetussa Nature Astronomy -lehdessä: "Combined analysis of the 12.8 and 15 μm JWST/MIRI eclipse observations of TRAPPIST-1 b"
TRAPPIST-1: ihanteellinen laboratorio kiviplaneettojen ilmakehien tutkimiseen
TRAPPIST-1-järjestelmä erottuu ultrakylmästä kääpiötähdestään, jota ympäröi seitsemän maankaltaista kiviplaneettaa, joista kolme sijaitsee elinkelpoisella vyöhykkeellä, tarjoten näin poikkeuksellisen tieteellisen mahdollisuuden eksoplaneettojen ja ilmakehien tutkimiseen. Tämä järjestelmä on siten erityinen kohde James Webb -avaruusteleskoopille (JWST), jonka infrapunaspektroskooppiset kyvyt mahdollistavat tämän tyyppisten planeettojen yksityiskohtaisen tutkimisen.Erityisesti JWST pystyy mittaamaan suoraan planeetan säteilemän lämmön vertaamalla tähden valovirtaa peittymishetkellä - jolloin planeetta kulkee tähden taakse - havaittuun virtaan juuri ennen ja jälkeen tätä tapahtumaa (ks. kuva 2). Tämä menetelmä mahdollistaa infrapunasäteilyn päättelemisen planeetan valaistulta puolelta (päiväpuoli) samalla kun vältetään tähden aiheuttamat häiriöt, jotka voivat vaikeuttaa mittauksia muissa konfiguraatioissa, kuten transiteissa.
"Lämpösäteily on nopeasti tullut suosituimmaksi menetelmäksi kiviplaneettojen tutkimisessa M-kääpiötähtien ympärillä JWST:n kahden ensimmäisen vuoden aikana", selittää tutkimuksen pääkirjoittaja Pierre-Olivier Lagage, CEA:n astrofysiikan osaston johtaja. "Mitä tulee TRAPPIST-1:n planeettoihin, ensimmäiset tiedot saadaan säteilymittauksista, sillä on vaikeaa erottaa ilmakehän ja tähden signaaleja transitin aikana."
Kaksi havaintokampanjaa JWST:llä on toteutettu TRAPPIST-1 b:n tutkimiseksi, koska se on lähinnä isäntä tähteä ja säteilee enemmän infrapunasäteilyä kuin muut järjestelmän planeetat. Nämä havainnot on tehty CEA Paris-Saclayn kehittämällä MIRIm-kuvaimella, käyttäen huolellisesti valittuja suodattimia hiilidioksidin (CO?) läsnäolon havaitsemiseksi ja sen pitoisuuden mittaamiseksi.
Ensimmäinen kampanja, joka toteutettiin vuonna 2023 NASA:n tiimin toimesta yhteistyössä CEA Paris-Saclayn IRFU:n astrofysiikan osaston kanssa, käytti λ=15 µm:n keskipisteellä olevaa suodatinta. Nämä havainnot mahdollistivat sen määrittämisen, että TRAPPIST-1 b:n päiväpuolella on noin 503 K:n lämpötila (+/- 26 K), mikä merkitsee ensimmäistä suoraa mittausta kohtuullisen kiviplaneetan lämpötilasta eksoplaneettojen tutkimuksen historiassa.
Tällaisella lämpötilalla tiedemiehet ovat ehdottaneet, että TRAPPIST-1 b:llä olisi pikemminkin "alaston ja tumma pinta", jossa planeetalla ei olisi ilmakehää, ja sen pinta imisi lähes kaiken saapuvan tähden valon (Greene et al., 2023). Tämä hypoteesi perustuu siihen, että CO ? imee voimakkaasti tällä aallonpituudella; hiilidioksidipitoisen ilmakehän olisi siis huomattavasti vähentänyt havaittua virtaa. Kuitenkin yksittäinen mittaus yhdellä aallonpituudella ei riitä sulkemaan pois kaikkia mahdollisia ilmakehäskenaariota.
Alaston pinta vai monimutkainen ilmakehä?
Tämä uusi tutkimus, jonka on toteuttanut CEA Paris-Saclayn tiimi, täydentää aikaisempia havaintoja mittaamalla tällä kertaa TRAPPIST-1 b:n virtaa 12,8 mikronissa, joka on toinen hiilidioksidin ominaisabsorptioalue. Kun Greene et al. (2023) ehdottivat "alastonta tummaa pintaa", joka ennusti noin 227 °C:n lämpötilaa tällä aallonpituudella, tutkijat mittasivat merkittävästi alhaisemman lämpötilan, 150 °C. Tämä tulos kumoaa aiemman skenaarion, joka perustui 15 mikronin havaintoihin, pakottaen tutkijat tutkimaan muita pinnan ja ilmakehän malleja. Kaksi uutta skenaariota näyttää nousevan esiin (ks. kuva 3):- "Alaston ultramafinen pinta" -skenaario: TRAPPIST-1 b:llä ei olisi ilmakehää, mutta sen pinta koostuisi ultramafisista kivistä, vulkaanisista kivistä, jotka sisältävät mineraaleja ja säteilevät vähemmän valoa 12,8 mikronissa kuin tavanomainen tumma pinta. Tämä tulos viittaa mahdolliseen vulkanismiin, sillä ilman tätä prosessia, joka luo uusia kiviä, kivet altistuisivat nopeasti tähden toiminnalle ja mustuisivat.
- "CO2-sumuinen ilmakehä" -skenaario: TRAPPIST-1 b:llä olisi hiilidioksidipitoista ilmakehää, jossa on paksuja sumuja, jotka koostuvat pienistä hiukkasista tai pisaroista, jotka syntyvät kemiallisista reaktioista, jotka liittyvät vulkaaniseen toimintaan tai auringon säteilyyn. Nämä sumut imisivät tähden valoa ja aiheuttaisivat lämpenemistä ilmakehän yläkerroksissa, luoden lämpötilainversioita, joissa lämpötila nousee korkeuden myötä. Tämä ilmiö, joka on samanlainen kuin maapallon stratosfäärissä - vaikka se liittyy tässä CO2:een eikä otsoniin - selittäisi korkeampaa säteilyä 15 mikronissa verrattuna 12,8 mikroniin, mikä on odottamaton käyttäytyminen verrattuna maapallolla tai Venusilla havaittuun CO2:een.
Vaikka sumut tunnetaan jo vaikuttavan lämpötilaan ja ilmakehän ulkonäköön, kuten Titanilla, niiden vaikutus TRAPPIST-1 b:hen on yllättävä. Kuitenkin kirjoittajat arvioivat, että "alaston ultramafinen pinta" -skenaario on todennäköisempi, johtuen tällaisen sumun muodostamiseen liittyvistä monimutkaisuuksista ja epävarmuuksista.
"Olimme yllättyneitä mittaamaan merkittävästi alhaisemman lämpötilan kuin odotimme. Luulimme, että TRAPPIST-1 b:n tapaus oli ratkaistu, mutta tämä uusi aallonpituus muistuttaa meitä kaikista epäselvyyksistä, jotka liittyvät planeetan kuvaamiseen eristyneistä havainnoista", korostaa CEA:n astrofysiikan osaston tutkija ja tämän tutkimuksen pääkirjoittaja Elsa Ducrot. "Lisäksi tämä mittaus on herättänyt uteliaisuutemme ja antanut meille mahdollisuuden ehdottaa ilmakehäskenaariota, jossa on uusia sumuja, jotka ovat sopusoinnussa tietojen kanssa. Vaikka se vaikuttaa vähemmän todennäköiseltä, on erittäin mielenkiintoista, että tiedeyhteisö voi ottaa sen huomioon tulevien kiviplaneettojen havaintojen tulkinnassa."
Kuinka ratkaista mysteeri?
Tämä uusi tutkimus korostaa haasteita, joita aiheutuu ilmakehän olemassaolon lopullisesta määrittämisestä planeetalla pelkästään lämpösäteilymittauksiin perustuen peittymishetkillä. Jotta TRAPPIST-1 b:n ilmakehän olemassaolo voitaisiin ratkaista lopullisesti, tutkijat ovat aloittaneet uuden havaintokampanjan JWST:llä, jonka tavoitteena on mitata planeetan virtaa sen koko radan ajan, eikä vain sen päiväpuolta (ks. kuva 4).Tätä menetelmää, jota täydentävät monimutkaiset 3D-ilmakehäsimulaatiot, pidetään välttämättömänä ilmakehän olemassaolon tai puuttumisen ratkaisemiseksi TRAPPIST-1 b:n ympärillä, vaikka se onkin aikaa vievää havaintoa.
"Jos ilmakehä on olemassa, lämpö jakautuu päiväpuolelta yöpuolelle. Ilman ilmakehää tämä jakautuminen on minimaalista", selittää Liège yliopiston tutkija Michaël Gillon, joka on tämän tutkimuksen toinen kirjoittaja.
Nämä vastaukset voisivat avata uuden aikakauden kiviplaneettojen ilmakehien tutkimuksessa.