Webbin tekemät havainnot ensimmäisestä eksoplaneetastaan

Tutkijat ovat vahvistaneet[1] eksoplaneetan olemassaolon NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin avulla ensimmäistä kertaa. Tunnuksen LHS 475 b saanut planeetta on lähes täsmälleen samankokoinen kuin omamme, sen halkaisija on noin 99 % Maan halkaisijasta.

Taiteilijan näkemys eksoplaneetasta. Kuva NASA/ESA/CSA.

Tutkimusryhmää johtavat Kevin Stevenson ja Jacob Lustig-Yeger, molemmat Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratoriosta Laurelissa, Marylandissa. Tiimi päätti tarkkailla tätä kohdetta Webb-teleskoopilla tarkistettuaan huolellisesti NASAn Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) -satelliitin tiedot, jotka vihjasivat planeetan olemassaoloon. Webbin lähi-infrapunaspektrografi (NIRSpec) havaitsi planeetan helposti ja selkeästi vain kahdella ylikulkuhavainnolla. "Ei ole epäilystäkään siitä, että planeetta on olemassa, Webbin tarkat tiedot vahvistavat sen”, Lustig-Yager sanoi.

"Nämä ensimmäiset havaintotulokset Maan kokoisesta kiviplaneetasta avaavat oven monille tulevaisuuden mahdollisuuksille tutkia kiviplaneettojen ilmakehää Webbin kanssa", myönsi Mark Clampin, NASAn Washingtonin päämajan astrofysiikan osaston johtaja. "Web tuo meidät yhä lähemmäksi uutta ymmärrystä Maan kaltaisista maailmoista Aurinkokunnan ulkopuolella, ja tehtävä on vasta alkamassa."

Webbin havaintojen perusteella laadittu tähden kirkkauskäyrä, jossa näkyvä "kuoppa" paljastaa planeetan ylikulun, sekä sen halkaisijan. Kiertoaika puolestaan voidaan määrittää toistuvien ylikulkujen perusteella. Tähden massan ja kiertoajan perusteella voidaan laskea planeetan etäisyys tähdestä ja planeetan massa. Kuva NASA/ESA/CSA.

Kaikista toimivista kaukoputkesta vain Webb pystyy karakterisoimaan Maan kokoisten eksoplaneettojen ilmakehän. Ryhmä yritti arvioida, mitä planeetan ilmakehässä on analysoimalla sen siirtospektriä. Vaikka tiedot osoittavat, että tämä on Maan kokoinen kiviplaneetta, he eivät vielä tiedä, onko sillä ilmakehää. "Observatorion tiedot ovat kauniita", sanoi Erin May, myös Johns Hopkinsin yliopiston soveltavan fysiikan laboratoriosta. "Kaukoputki on niin herkkä, että se havaitsee helposti useita molekyylejä, mutta emme voi vielä tehdä lopullisia johtopäätöksiä planeetan ilmakehästä."

Vaikka tiimi ei voi päätellä tarkasti, mitä on havaittu, he voivat ehdottomasti sanoa, mitä ei ole. "Voimme sulkea pois joitain ilmakehätyyppejä", Lustig-Yager selitti. "Sillä ei voi olla paksua metaani-ilmakehää, joka on samanlainen kuin esimerkiksi Saturnuksen kuulla Titanilla."

Webb ei havainnut havaittavaa määrää mitään alkuainetta tai molekyyliä. Spekrihavainnot (valkoiset pisteet) ovat yhdenmukaisia ​​sellaisen planeetan ominaisuuksettoman spektrin kanssa, jolla ei ole ilmakehää (keltainen viiva). Violetti viiva edustaa puhdasta hiilidioksidi-ilmakehää, eikä sitä voi erottaa ilmakehättömästä nykyisellä tarkkuudella. Vihreä viiva edustaa puhdasta metaani-ilmakehää, joka ei kuitenkaan ole todennäköinen, koska metaanin, jos sitä on, odotetaan estävän enemmän tähtien valoa 3,3 mikrometrin aallonpituudella. Kuva NASA/ESA/CSA.

Ryhmä toteaa myös, että vaikka on mahdollista, että planeetalla ei ole ilmakehää, on joitakin ilmakehätyyppejä, joita ei ole suljettu pois, kuten puhdas hiilidioksidi-ilmakehä. "Vastaintuitiivisesti 100-prosenttinen hiilidioksidi-ilmakehä on niin paljon kompaktimpi, että sen havaitseminen on erittäin haastavaa", Lustig-Yager sanoi. Vielä tarkempia mittauksia tarvitaan, jotta tiimi erottaisi puhtaan hiilidioksidi-ilmakehän usean kaasun muodostamasta ilmakehästä. Tutkijoiden on tarkoitus hankkia lisää spektrejä lisähavainnoilla tulevana kesänä.

Webb paljasti myös, että planeetta on muutama sata astetta lämpimämpi kuin Maa, joten jos pilviä havaitaan, se voi saada tutkijat päättelemään, että planeetta on Venuksen kaltainen, jolla on hiilidioksidi-ilmakehä ja joka on jatkuvasti paksujen pilvien peitossa. "Olemme eturintamassa pienten, kivisten eksoplaneettojen tutkimisessa", Lustig-Yager sanoi. "Olemme tuskin alkaneet raapia pintaa siitä, millainen heidän ilmakehä planeetalla voisi olla."

Tutkijat vahvistivat myös, että planeetan kiertoaika on noin kaksi vuorokautta. Tämä tieto paljastui lähes välittömästi Webbin tarkasta valokäyrästä. Vaikka LHS 475 b on lähempänä tähteään kuin mikään Aurinkokunnan planeetta, sen punainen kääpiötähden lämpötila on alle puolet Auringon lämpötilasta, joten tutkijoiden mukaan planeetta voisi silti ylläpitää ilmakehää.

Tutkijoiden löydökset ovat avanneet mahdollisuuden paikantaa Maan kokoisia planeettoja, jotka kiertävät pienempiä punaisia ​​kääpiötähtiä. "Tämä kiviplaneetan vahvistus korostaa tehtävän instrumenttien tarkkuutta", Stevenson sanoi. "Ja se on vasta ensimmäinen monista löydöistä, jotka se tekee." Lustig-Yager oli samaa mieltä: "Tämän teleskoopin avulla kiviset eksoplaneetat ovat uusi raja."

LHS 475 b on suhteellisen lähellä, vain 41 valovuoden päässä, Oktantin tähdistössä.

Viittaukset

[1] Ryhmän tulokset esiteltiin American Astronomical Societyn (AAS) lehdistötilaisuudessa keskiviikkona 11. tammikuuta 2023.

Neptunuksen lämpötilassa yllättäviä muutoksia

eso2206fi — Tutkimustiedote  — 11. huhtikuuta 2022

Kansainvälinen tähtitieteilijöiden ryhmä on seurannut Neptunuksen ilmakehän lämpötiloja 17 vuoden aikana. Havainnoissa on käytetty useita maanpäällisiä teleskooppeja, Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope (ESO:n VLT) mukaan lukien. He ovat havainneet Neptunuksen yleisessä lämpötilassa yllättävän pudotuksen, jota seurasi etelänavan dramaattinen lämpeneminen.

Tämä yhdistelmäkuva esittää Neptunuksesta vuosina 2006-2020 otettuja lämpökuvia. Kolme ensimmäistä kuvaa (2006, 2009, 2018) on otettu VISIR-instrumentilla ESO:n VLT-teleskoopilla, kun taas vuoden 2020 kuva otettiin COICS-instrumentilla Subaru-teleskoopilla (VISIR ei ollut toiminnassa vuoden 2020 puolivälissä pandemian vuoksi). Planeetan asteittaisen viilenemisen jälkeen etelänapa näyttää lämpenevän dramaattisesti viime vuosina, kuten Neptunuksen alaosassa oleva valopiste osoittaa vuosien 2018 ja 2020 kuvissa. © ESO/M. Roman, NAOJ/Subaru/COMICS.

”Tämä oli odottamaton muutos”, Michael Roman sanoi. Hän on tutkijatohtori Leicesterin yliopistosta, Yhdistyneestä Kuningaskunnasta, ja tänään The Planetary Science Journal -lehdessä julkaistun tutkimuksen pääkirjoittaja. ”Koska havaitsimme Neptunusta sen varhaisen eteläisen alkukesän aikana, odotimme lämpötilojen hitaasti kasvavan, eikä pienentyvän”.

Kuten Maassa, myös Neptunuksessa koetaan vuodenajat planeetan kiertäessä Auringon ympäri. Neptunuksen vuodenaika kestää kuitenkin noin 40 vuotta, ja yksi Neptunuksen vuosi on noin 165 Maan vuotta. Neptunuksen eteläisellä pallonpuoliskolla on ollut kesä vuodesta 2005 lähtien, ja tähtitieteilijät odottivat innokkaina, miten lämpötilat muuttuvat eteläisen kesäpäivänseisauksen jälkeen.

Tähtitieteilijät tarkastelivat lähes sataa Neptunuksen infrapunakuvaa, jotka oli otettu 17 vuoden aikana. Tämän avulla he selvittivät planeetan lämpötilan yleiset muutokset tarkemmin kuin koskaan ennen.

Nämä tiedot osoittivat, että eteläisen kesän alkamisesta huolimatta suurin osa planeetasta oli vähitellen jäähtynyt kahden viime vuosikymmenen aikana. Neptunuksen globaali keskimääräinen lämpötila putosi 8 °C:lla vuosina 2003—2018.

Tähtitieteilijät kuitenkin yllättyivät havaitessaan Neptunuksen etelänavan dramaattisen lämpenemisen havaintojen kahden viime vuoden aikana, jolloin lämpötilat nousivat nopeasti 11°C välillä 2018—2020. Vaikka Neptunuksen lämmin polaarinen pyörre on ollut tiedossa jo vuosia, tällaista nopeaa polaarista lämpenemistä ei olla koskaan aikaisemmin havaittu.

”Havaintomme kattavat alle puolet Neptunuksen vuodenajasta, joten kukaan ei odottanut näkevänsä suuria ja nopeita muutoksia”, yksi tutkimuksen kirjoittajista Glenn Orton, Caltechin Jet Propulsion laboratoriosta (JPL) Yhdysvalloista, sanoi.

Tähtitieteilijät mittasivat Neptunuksen lämpötilaa lämpökameroilla, jotka havaitsevat tähtitieteen havaintokohteista tulevaa infrapunavaloa. Tutkimusryhmä yhdisti analyysissään kaikki Neptunuksen kuvat, jotka on kerätty kahden viime vuosikymmenen aikana maanpäällisten teleskooppien avulla. He mittasivat Neptunuksen stratosfääriksi kutsutun ilmakehän kerroksesta tulevaa infrapunasäteilyä. Tämän ansiosta ryhmä sai muodostettua kuvan Neptunuksen lämpötilajakaumasta ja sen vaihteluista Neptunuksen eteläisen kesän aikana.

Koska Neptunus on noin 4,5 miljardin kilometrin päässä Maasta, se on hyvin kylmä. Planeetan keskilämpötila on noin –220° C, eikä lämpötilan mittaaminen Maasta käsin ole helppo tehtävä. ”Tämän tyyppistä tutkimusta voidaan tehdä vain VLT:n kaltaisten suurten teleskooppien tarkkojen infrapunakuvien avulla, joissa Neptunus erottuu selvästi. Näitä on ollut saatavilla vain viimeisen 20 vuoden ajan”, yksi tutkimuksen kirjoittajista, Leigh Fletcher, joka on Leicesterin yliopiston professori, sanoi.

Noin kolmasosa kaikista otetuista kuvista oli VLT Imager and Spectrometer for Mid-InfraRed (VISIR) -instrumentista, joka on Chilen Atacaman autiomaassa ESO:n VLT-kaukoputkessa. Kaukoputken peilin koon ja sijaintipaikan korkeuden vuoksi teleskoopin kuvien resoluutio ja laatu ovat erittäin korkeita. Siksi sen avulla saadaan selkeimmät kuvat Neptunuksesta. Tutkimusryhmä käytti myös NASAn Spitzer-avaruusteleskoopilla ja Chilessä sijaitsevalla Gemini South -teleskoopilla otettuja kuvia, sekä lisäksi Subaru-teleskoopilla, Keck-teleskoopilla ja Gemini North -teleskoopilla otettuja kuvia, jotka kaikki kolme sijaitsevat Havaijilla.

Koska Neptunuksen lämpötilan vaihtelut olivat niin odottamattomia, tähtitieteilijät eivät vielä tiedä, mikä tämän olisi voinut aiheuttaa. Vaihtelut voivat johtua Neptunuksen stratosfäärin kemiassa tapahtuvista muutoksista, tai satunnaisista sään vaihteluista, tai jopa auringonpilkkujakson vaiheesta. Tulevina vuosina tarvitaan lisää havaintoja, jotta vaihteluiden syyt saadaan selville. Tulevat maanpäälliset teleskoopit, kuten ESO:n Erittäin suuri teleskooppi (Extremely Large Telescope, ELT), pystyvät havaitsemaan tällaisia lämpötilan muutoksia vielä tarkemmin, kun taas NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi tuottaa ennennäkemättömiä uusia karttoja Neptunuksen ilmakehän kemiasta ja lämpötilasta.

”Mielestäni Neptunus on itsessään hyvin kiehtova planeetta, koska tiedämme siitä vielä niin vähän”, Roman sanoi. ”Tämä kaikki osoittaa, että Neptunuksen kaasukehä on huomattavan monimutkainen, ja se muuttuu ajan myötä”.

Lisätietoa

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa: “Sub-Seasonal Variation in Neptune’s Mid-Infrared Emission”, joka on julkaistu tänään The Planetary Science Journal (doi:10.3847/PSJ/ac5aa4) -julkaisussa.