JWST сделал первые прямые снимки углекислого газа за пределами Солнечной системы

Самый четкий вид в инфракрасном диапазоне на культовую многопланетную систему HR 8799. Цвета применены к фильтрам от NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) Уэбба. Символ звезды отмечает местоположение звезды-хозяина HR 8799, свет которой был заблокирован коронографом. На этом изображении синий цвет присвоен свету 4,1 микрона, зеленый — свету 4,3 микрона, а красный — свету 4,6 микрона. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI, W. Balmer (JHU), L. Pueyo (STScI), M. Perrin (STScI)

Космический телескоп Джеймса Уэбба получил первые прямые изображения углекислого газа на планете за пределами Солнечной системы в HR 8799, многопланетной системе на расстоянии 130 световых лет от нас, которая долгое время была ключевым объектом для изучения формирования планет.

Наблюдения дают веские доказательства того, что четыре гигантские планеты системы сформировались примерно так же, как Юпитер и Сатурн, путем медленного формирования твердых ядер. Они также подтверждают, что Уэбб может делать больше, чем просто выводить состав атмосферы из измерений звездного света — он может напрямую анализировать химию атмосфер экзопланет.

«Обнаружив эти сильные проявления углекислого газа, мы показали, что в атмосферах этих планет присутствует значительная доля более тяжелых элементов, таких как углерод, кислород и железо. Учитывая то, что мы знаем о звезде, вокруг которой они вращаются, это, вероятно, указывает на то, что они образовались путем аккреции ядра, что для планет, которые мы можем непосредственно видеть, является захватывающим выводом», — сказал Уильям Балмер, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, возглавлявший работу.

Анализ наблюдений, включавших также систему 51 Эридана, расположенную на расстоянии 96 световых лет, опубликован в The Astrophysical Journal.

HR 8799 — молодая система возрастом около 30 миллионов лет, что составляет часть от 4,6 миллиардов лет нашей солнечной системы. Все еще горячие после своего бурного формирования, планеты HR 8799 излучают большое количество инфракрасного света, который дает ученым ценные данные о том, как их формирование сравнивается с формированием звезд или коричневых карликов.

Гигантские планеты могут формироваться двумя способами: медленно создавая твердые ядра, которые притягивают газ, как наша Солнечная система, или быстро коллапсируя из остывающего диска молодой звезды в массивные объекты. Знание того, какая модель более распространена, может дать ученым подсказки для различения типов планет, которые они находят в других системах.

«Мы надеемся с помощью такого рода исследований понять нашу собственную солнечную систему, жизнь и нас самих в сравнении с другими экзопланетными системами, чтобы мы могли контекстуализировать наше существование», — сказал Балмер. «Мы хотим сделать фотографии других солнечных систем и увидеть, чем они похожи или отличаются по сравнению с нашей. Оттуда мы можем попытаться получить представление о том, насколько странной на самом деле является наша солнечная система — или насколько она нормальна».

Очень немногие экзопланеты были напрямую сфотографированы, поскольку далекие планеты во много тысяч раз слабее своих звезд. Снимая прямые изображения на определенных длинах волн, доступных только с помощью телескопа Webb, команда прокладывает путь для более подробных наблюдений, чтобы определить, являются ли объекты, которые они видят вращающимися вокруг других звезд, действительно гигантскими планетами или такими объектами, как коричневые карлики, которые формируются как звезды, но не накапливают достаточно массы, чтобы зажечь ядерный синтез.

Вебб сделал этот снимок Эридана 51 b, прохладной молодой экзопланеты, которая вращается на расстоянии 11 миллиардов миль от своей звезды. Это изображение включает фильтры, представляющие 4,1-микронный свет как красный. Автор: NASA, ESA, CSA, STScI, W. Balmer (JHU), L. Pueyo (STScI), M. Perrin (STScI)

«У нас есть и другие доказательства, указывающие на то, что эти четыре планеты HR 8799 сформировались с использованием подхода «снизу вверх», — сказал Лоран Пуэйо, астроном из Научного института космического телескопа, который был одним из руководителей работы.

«Насколько это распространено среди планет с длительным периодом обращения, которые мы можем напрямую сфотографировать? Мы пока не знаем, но предлагаем провести больше наблюдений Уэбба, вдохновленных нашей диагностикой углекислого газа, чтобы ответить на этот вопрос».

Достижение стало возможным благодаря коронографам Уэбба, которые блокируют свет от ярких звезд, как это происходит во время солнечного затмения, чтобы обнаружить скрытые миры. Это позволило команде искать инфракрасный свет в длинах волн, которые выявляют определенные газы и другие атмосферные детали.

Исследуя диапазон длин волн 3–5 микрометров, команда обнаружила, что четыре планеты HR 8799 содержат больше тяжелых элементов, чем считалось ранее, что является еще одним указанием на то, что они образовались таким же образом, как и газовые гиганты нашей Солнечной системы.

Наблюдения также выявили первое в истории обнаружение самой внутренней планеты HR 8799 e на длине волны 4,6 микрометра и 51 Эридана b на длине волны 4,1 микрометра, что демонстрирует чувствительность Уэбба в наблюдении слабых планет вблизи ярких звезд.

В 2022 году один из ключевых методов наблюдения Уэбба косвенно обнаружил углекислый газ на другой экзопланете, названной WASP-39 b, отслеживая, как ее атмосфера изменяет звездный свет, когда она проходит перед своей звездой.

«Именно это ученые и делают с транзитными планетами или изолированными коричневыми карликами с момента запуска JWST», — сказал Пуэйо.

Реми Суммер, который руководит Оптической лабораторией в Научном институте космического телескопа и ранее руководил операциями по коронографу Уэбба, добавил: «Мы знали, что JWST может измерять цвета внешних планет в системах с прямыми изображениями. Мы ждали 10 лет, чтобы подтвердить, что наши точно настроенные операции телескопа также позволят нам получить доступ к внутренним планетам».

«Теперь результаты получены, и мы можем заняться с ними интересной наукой».

Команда надеется использовать коронографы Уэбба для анализа большего количества гигантских планет и сравнения их состава с теоретическими моделями.

«Эти гигантские планеты имеют довольно большое значение», — сказал Балмер.

«Если эти огромные планеты будут бегать по вашей Солнечной системе, как шары для боулинга, они могут либо нарушать, либо защищать, либо делать и то, и другое с планетами, подобными нашей, поэтому более глубокое понимание их формирования — это важный шаг к пониманию формирования, выживания и обитаемости планет земного типа в будущем».

Больше информации: JWST-TST High Contrast: Living on the Wedge, or, NIRCam Bar Coronagraphy Reveals CO2 in the HR 8799 and 51 Eri Exoplanets' Atmospheres, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-3881/adb1c6

Источник: Johns Hopkins University