Уявіть собі, якби Земля була набагато ближчою до Сонця. Так близько, що цілий рік тривав би всього кілька годин. Настільки близько, що гравітація замкнула одну півкулю у вічному палючому денному світлі, а інше - у вічній темряві. Так близько, що океани викіпають, скелі починають танути, а дощ йде не з води, а з лави.
Хоча нічого подібного в нашій Сонячній системі не існує, подібні планети - кам'янисті, розміром приблизно з Землю, дуже гарячі і близькі до своїх зірок - не рідкість в галактиці Чумацький Шлях.
Які поверхні та атмосфери цих планет насправді? Космічний телескоп Джеймс Вебб збирається дати деякі відповіді.
Геологія з відстані 50 світлових років: Вебб готується до вивчення скелястих світів
Космічний телескоп Джеймс Вебб з ідеально вирівняними сегментами дзеркала і проходить калібрування наукових інструментів знаходиться всього в декількох тижнях від повної експлуатації. Незабаром після того, як цього літа будуть оприлюднені перші спостереження, Уебб почне повноцінну роботу.
У дослідження, заплановані на перший рік, входять спостереження двох гарячих екзопланет, класифікованих як «суперземлі» через їх розмір і кам'янистий склад: покритою лавою 55 Cancri e і безповітряною LHS 3844 b.
Вчені будуть «тренувати» високоточні спектрографи Вебба на цих планетах, щоб зрозуміти геологічне розмаїття планет по всій галактиці, а також еволюцію скелястих планет, таких як Земля.
Супергоряча суперземля 55 Cancri e
Планета 55 Cancri e обертається на відстані менш ніж 2,4 мільйонів кілометрів від своєї сонцеподібної зірки (одна двадцять п'ята частина відстані між Меркурієм і Сонцем), здійснюючи один оборот менш ніж за 18 годин. Оскільки температура поверхні набагато вище точки плавлення типових породоутворюючих мінералів, вважається, що денна сторона планети покрита цілими океанами лави.
Планети, які обертаються так близько до своєї зірки, вважаються заблокованими припливами, причому одна сторона завжди звернена до зірки. В результаті найгарячішою точкою на планеті повинна бути та, яка звернена до зірки під прямим кутом, а кількість тепла, що надходить з денного боку, не повинна сильно змінюватися з плином часу.
Але, схоже, це не так. Спостереження за 55 Cancri e за допомогою космічного телескопа Спітцер показують, що найгарячіша область зміщена від тієї частини, яка звернена до зірки найбільш прямо, в той час як загальна кількість тепла, виявлена з денного боку, дійсно варіюється.
У 55 Cancri e щільна атмосфера?
Одне з пояснень цих спостережень полягає в тому, що планета має динамічну атмосферу, яка переміщує тепло.
«У 55 Cancri e може бути щільна атмосфера, в якій переважають кисень або азот», - пояснив Реню Ху з Лабораторії реактивного руху НАСА, який очолює групу, яка буде використовувати камеру ближнього інфрачервоного діапазону (NIRCam) і прилад середнього інфрачервоного діапазону (MIRI) для захоплення спектра теплового випромінювання денної сторони планети. «Якщо у неї є атмосфера, [Вебб] має чутливість і діапазон довжин хвиль, щоб виявити її і визначити, з чого вона складається».
Чи це вечірній дощ з лави на 55 Cancri e?
Інша інтригуюча можливість, однак, полягає в тому, що 55 Cancri e не замкнена припливом. Замість цього вона може бути схожа на Меркурій, який здійснює три обороти навколо своєї осі за кожні два обороти навколо Сонця (так званий резонанс 3:2). У результаті планета матиме цикл дня і ночі.
«Це може пояснити, чому зміщується найгарячіша частина планети», - пояснив Алексіс Брандекер, дослідник з Стокгольмського університету, який очолює іншу групу, що вивчає планету. "Як і на Землі, для нагріву поверхні потрібен час. Найспекотніший час дня буде вдень, а не прямо опівдні ".
Команда Брандекера планує перевірити цю гіпотезу, використовуючи NIRCam для вимірювання тепла, випромінюваного освітленою стороною 55 Cancri e на чотирьох різних орбітах. Якщо планета має резонанс 3:2, вони будуть спостерігати за кожною півкулею двічі і повинні бути в змозі виявити будь-яку різницю між півкулями.
У цьому сценарії поверхня буде нагріватися, плавитися і навіть випаровуватися протягом дня, утворюючи дуже тонку атмосферу, яку Вебб міг виявити. Увечері пар охолоджувався б і конденсувався, утворюючи краплі лави, які падали б назад на поверхню і знову ставали твердими з настанням ночі.
Суперземля LHS 3844 b дещо прохолодніше
У той час як 55 Cancri e дасть уявлення про екзотичну геологію світу, покритого лавою, LHS 3844 b дає унікальну можливість проаналізувати тверду породу на поверхні екзопланети.
Як і 55 Cancri e, LHS 3844 b обертається дуже близько до своєї зірки, здійснюючи один оборот за 11 годин. Однак, оскільки її зірка відносно мала і холодна, планета недостатньо гаряча, щоб її поверхня могла розплавитися. Крім того, спостереження Спітцера показують, що планета навряд чи має істотну атмосферу.
З чого складається поверхня LHS 3844 b?
Хоча ми не зможемо отримати зображення поверхні LHS 3844 b безпосередньо за допомогою Вебба, відсутність затемнюючої атмосфери дозволяє вивчати поверхню за допомогою спектроскопії.
«Виявляється, різні типи гірських порід мають різні спектри», - пояснила Лаура Крейдберг з Інституту астрономії Макса Планка. "Ви можете прекрасно бачити, що граніт за кольором світліше базальта. Існують аналогічні відмінності в інфрачервоному світлі, випромінюваному камінням ".
Астрономи будуть використовувати MIRI для захоплення спектра теплового випромінювання денної сторони LHS 3844 b, а потім порівнювати його зі спектрами відомих гірських порід, таких як базальт і граніт, щоб визначити їх склад. Якщо планета вулканічно активна, спектр також може показати наявність слідових кількостей вулканічних газів.
Важливість цих спостережень виходить далеко за рамки двох з більш ніж 5000 підтверджених екзопланет в галактиці. «Вони дадуть нам фантастичний новий погляд на схожі на Землю планети в цілому, допомагаючи нам дізнатися, якою могла бути рання Земля, коли вона була такою гарячою, як ці планети сьогодні», - кажуть вчені.
Спостереження за 55 Cancri e і LHS 3844 b будуть проводитися в рамках програми Webb's Cycle 1 General Observers. Програми General Observers були відібрані на конкурсній основі з використанням подвійної анонімної системи огляду, тієї ж системи, яка використовувалася для розподілу часу на телескопі Хаббл.