Svetimų pasaulių tyrinėjimas: nauja egzoplanetų vaizdavimo era

Svetimų pasaulių tyrinėjimas: nauja egzoplanetų vaizdavimo era

Dėl išskirtinių James Webb kosminio teleskopo (JWST) galimybių astronomai žengia į naują tiesioginio egzoplanetų tyrimų etapą. Egzoplanetomis vadinami planetos, skriejančios aplink žvaigždes už mūsų Saulės sistemos ribų. Pasitelkę pažangius JWST instrumentus, mokslininkai pirmą kartą gavo tiesioginius egzoplanetų vaizdus, kuriuose matomos atmosferos debesys iš smulkių smėlio dalelių bei mineralų, tokių kaip olivinas, diskai – Žemėje iš jų formuojasi pusbrangis peridotas.

Mokslinis kontekstas: kodėl svarbus tiesioginis egzoplanetų vaizdavimas

Egzoplanetų paieškos šiandien yra viena intensyviausių šiuolaikinės astronomijos sričių – jau patvirtinta beveik 6000 egzoplanetų. Tačiau didžioji jų dalis atrasta netiesiogiai: stebint, kaip planetos užstoja žvaigždę (tranzitai), arba matuojant žvaigždės „svyravimą“, kurį sukelia skriejančios planetos gravitacija. Tiesioginiai stebėjimai, kai fiksuojama ir tiriama pačios planetos šviesa, tebėra labai retas ir sudėtingas uždavinys – šiandien mūsų žiniomis tokiais metodais tiesiogiai užfiksuota tik apie 80 egzoplanetų, nes jos labai blankios, mažos, ir paskęsta savos žvaigždės spindesyje.

Tiesioginis egzoplanetų vaizdavimas suteikia išsamios informacijos, kurios neįmanoma gauti netiesiogiai – atskleidžia atmosferos sudėtį, orų dėsningumus ir fizinius procesus nutolusiose planetose.

YSES-1 sistema: naujų planetinių paslapčių atskleidimas

Paskutinio JWST tyrimo dėmesio centre – YSES-1 žvaigždžių sistema, nutolusi 306 šviesmečių nuo Žemės. Tai jauna žvaigždė, aplink kurią skrieja dvi dujinės milžinės egzoplanetos: YSES-1b (160 astronominių vienetų – AU – atstumu) ir YSES-1c (320 AU). Palyginimui, Neptūnas mūsų Saulę apskrieja vos 30 AU atstumu. Šios planetos ne tik labai nutolusios, bet ir itin masyvios – YSES-1c masė siekia apie 6 Jupiterio mases, o YSES-1b – net 14 Jupiterio masių, tad ši planeta ribojasi su rudųjų nykštukių kategorija.

Ankstesni bandymai stebėti YSES-1 planetas rodė intriguojančių atmosferos bruožų, bet joms trūko pakankamos raiškos išsamesnei analizei. JWST NIRSpec (artimojo infraraudonojo spektrografo) atsiradimas šią problemą išsprendė. Astrofizikas ir pagrindinis tyrėjas Kielan Hoch iš Kosminio teleskopo mokslo instituto paaiškino: „Su NIRSpec galime vienu metu užfiksuoti planetų vaizdus tūkstančiuose bangų ilgių ir gauti jų spektrus – iš esmės, pačios planetos infraraudonąją spinduliuotę.“

Kaip JWST atskleidžia egzoplanetų atmosferų paslaptis

Stebėdami šviesos spektro pokyčius, kai ji keliauja per egzoplanetos atmosferą, astronomai gali nustatyti, kokios molekulės ten yra. Kiekvienos medžiagos molekulės sugeria savitus bangos ilgius, palikdamos spektre būdingus pėdsakus. Pasak Hoch, „Kai žvaigždės šviesa praeina pro planetos atmosferą, ten esančios molekulės sugeria tam tikrus bangos ilgius – spektre matome šviesos slūgius, pagal kuriuos galima iššifruoti atmosferos cheminę sudėtį.“

Reikšmingiausi atradimai: silikatų debesys ir olivino diskas

JWST suteikė išsamiausius iki šiol žinomus spektrinius duomenis apie daugiaplanetinę sistemą, skriejančią apie tolimą žvaigždę. Stebėjimų metu nustatyta, jog tiek YSES-1b, tiek YSES-1c atmosferose gausu vandens garų, anglies monoksido, anglies dioksido ir metano – įprastų planetinėse atmosferose junginių. Tačiau giliau analizuojant duomenis paaiškėjo ir išskirtinių skirtumų.

Smėlio debesys YSES-1c atmosferoje

YSES-1c spektras parodė aiškių vandens, anglies dioksido, anglies monoksido ir metano ženklų, tačiau ilgesnių bangų ruože aptikti sugeriamumo bruožai, būdingi silikatų (smėlio) dalelėms aukštai atmosferoje. Laboratoriniai duomenys rodo, kad šiuose silikatuose gali būti ir mažų geležies priemaišų, kurie atmosferoje gali „lyti“ ant planetos. „Naudojome laboratorinius duomenis silikatų sudėčiai nustatyti ir įvertinti jų savybes. Dalies junginių požymiai rodo mažas silikatų daleles, galbūt su geležimi, tačiau net ir gryni silikatai atitinka mūsų rezultatus“, – sakė Hoch.

Netikėtas olivino diskas aplink YSES-1b

Nors YSES-1b atmosferoje silikatų požymių nerasta, tačiau aptiktas ne mažiau įspūdingas reiškinys: spektrinis signalas rodė olivino dulkių diską aplink planetą. Olivinas – vulkaninis mineralas, paplitęs Žemėje ir meteorituose. Olivino buvimas dulkių pavidalu šalia egzoplanetos stebina, nes tokios dalelės paprastai išsiskaido per 5 mln. metų, o visa YSES-1 sistema, tikėtina, yra 16,7 mln. metų senumo. Tai rodo, jog olivinas gali būti nesenos kosminės katastrofos – susidūrimo – pasekmė, JWST užfiksuota tiksliai tinkamu laiku.

Hoch komentavo: „Tikėjomės debesų YSES-1c atmosferoje, nes tokio tipo planetos dažniausiai būna debesuotos, tačiau spektriniai požymiai buvo visiškai kitokie nei rudųjų nykštukių. Ir mes visiškai nesitikėjome atrasti diską aplink YSES-1b – tai tapo tikru siurprizu.“

Mokslinė reikšmė ir ateities tyrimų kryptys

Šie atradimai leidžia pažvelgti į iki šiol nežinomą svetimų planetų oro ir cheminių procesų dinamiką, tačiau kartu kelia naujus iššūkius: kaip susidaro ir ilgą laiką išlieka silikatų debesys ir olivino dulkės tokiomis ekstremaliomis sąlygomis? Kaip dažnai panašūs reiškiniai aptinkami tarp dujinių milžinių egzoplanetų?

YSES-1 sistema tampa svarbia egzoplanetų tyrimų laboratorija, parodančia, kaip pažangios observatorijos kaip JWST leidžia atskleisti sudėtingus tolimų planetinių sistemų sluoksnius.

„Kiekvienas proveržis astrofizikoje suteikia tiek pat naujų klausimų, kiek atsakymų, – pažymėjo Hoch. – YSES-1b diskas yra puikus to pavyzdys. Tirdami atmosferos raidą ir formavimąsi tokiose aplinkose, tik pradedame suprasti pagrindinius procesus. Tolimesni stebėjimai įvairiose egzoplanetų sistemose padės šias spragas užpildyti.“

Be to, šis projektas liudija apie jaunų tyrėjų indėlį. Hoch pridūrė: „Šį tyrimą atliko jauni mokslininkai – kai pasiūliau YSES-1 stebėjimus JWST, dar buvau doktorantas, o teleskopas dar nebuvo paleistas. Pagrindiniai autoriai – pirmų metų doktorantai ir podoktorantai. Jų sėkmė aiškiai rodo, kodėl svarbu investuoti į jaunosios kartos astrofizikus.“

Išvada

JWST tiesioginiai YSES-1 sistemos vaizdai tapo lūžiu egzoplanetų tyrimuose. Atrastos atmosferinės smėlio dalelės bei mineralinių dulkių diskas leidžia pirmą kartą detaliai pažvelgti į kitų pasaulių dinamišką orų ir cheminius procesus bei kosminius įvykius, formuojančius jų dangų. Toliau tyrinėdamas Visatą, JWST su kiekvienu nauju stebėjimu gilins mūsų supratimą ir skatins naujus klausimus apie planetų įvairovę ir sudėtingumą galaktikoje.