Kosmiczny Teleskop Webba dostarczy szczegółów na temat dwóch intrygujących „super-ziemi” w Drodze Mlecznej

Ilustracja pokazująca, jak mogłaby wyglądać planeta 55 Cancri E, oparta na obecnym zrozumieniu planety. 55 Cancri to skalista planeta o średnicy mniej więcej dwa razy większej od Ziemi i krążąca po orbicie zaledwie 0,015 AU od swojej gwiazdy podobnej do Słońca. Ze względu na swoją wąską orbitę planeta jest bardzo gorąca, a temperatury w ciągu dnia sięgają 4400 stopni Fahrenheita (około 2400 stopni Celsjusza). Obserwacje spektroskopowe przy użyciu kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam) Webba i instrumentu średniej podczerwieni (MIRI) pomogą ustalić, czy planeta ma atmosferę, a jeśli tak, to z czego ta atmosfera jest zbudowana. Obserwacje pomogą również ustalić, czy planeta stopniowo się zamyka. Źródło: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI)

Astronomowie będą trenować wysokiej rozdzielczości spektrometr Webba na dwóch interesujących skalistych egzoplanetach.

Wyobraź sobie, że Ziemia była znacznie bliżej Słońca. Tak blisko, że cały rok trwałby tylko kilka godzin. Tak blisko, że grawitacja zamknęła jedną półkulę w palącym świetle dziennym, a drugą w wiecznej ciemności. Tak blisko, że oceany się gotują, skały zaczynają topnieć, a lawa spływa deszczem z chmur.

Chociaż w naszym Układzie Słonecznym nie ma nic takiego, planety takie – skaliste, mniej więcej wielkości Ziemi, bardzo gorące i bliskie ich gwiazdom – nie są rzadkością w naszym Układzie Słonecznym.[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? NASA’s James Webb Space Telescope is about to provide some answers.

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] Charakteryzuje się czułością i zakresem długości fal do wykrywania i identyfikowania jego komponentów.”

A może wieczorem pada lawa na 55 Cancri E?

Jednak inną interesującą możliwością jest to, że 55 Cancri e nie jest bezel-locked. Alternatywnie może być jak Merkury, obracający się trzy razy na dwie orbity (co jest znane jako rezonans 3:2). W rezultacie planeta będzie miała cykl dnia i nocy.

„To może wyjaśniać, dlaczego gorętsza część planety się obraca” – wyjaśnił Alexis Brandecker, badacz z Uniwersytetu Sztokholmskiego, który kieruje innym zespołem badającym planetę. „Podobnie jak na Ziemi, nagrzanie powierzchni zajmie trochę czasu. Najgorętszą porą dnia będzie popołudnie, a nie południe.”

Widmo emisji potencjału cieplnego gorącej egzoplanety superziemi LHS 3844b, mierzone za pomocą instrumentu Webb’s Mid-Infrared Instrument. Widmo emisji termicznej pokazuje ilość światła o różnych długościach fal podczerwonych (kolorach) emitowanych przez planetę. Naukowcy wykorzystują modele komputerowe do przewidywania, jak będzie wyglądało widmo emisji ciepła planety przy założeniu określonych warunków, takich jak atmosfera i skład powierzchni planety.
Ta konkretna symulacja zakłada, że ​​LHS 3844 b nie ma atmosfery, a dzienna strona jest pokryta ciemnymi skałami magmowymi. (Bazalt jest najpowszechniejszą skałą magmową w naszym Układzie Słonecznym, tworząc wyspy wulkaniczne, takie jak Hawaje i większość dna oceanicznego Ziemi, a także duże części powierzchni Księżyca i Marsa.)
Dla porównania, szara linia przedstawia typowe widmo skał bazaltowych oparte na pomiarach laboratoryjnych. Różowa linia to widmo granitu, najpowszechniejszej skały magmowej występującej na kontynentach Ziemi. Te dwa rodzaje skał mają bardzo różne widma, ponieważ są zbudowane z różnych minerałów, które pochłaniają i emitują różne ilości światła o różnych długościach fal.
Po tym, jak Webb dostrzeże planetę, naukowcy porównają rzeczywiste widma modelowe różnych typów skał, takich jak ta, aby zobaczyć, z czego zbudowana jest powierzchnia planety.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL)

Zespół Brandekera planuje przetestować tę hipotezę za pomocą kamery NIRCam do pomiaru ciepła emitowanego z oświetlonej strony 55 Cancri e przez cztery różne orbity. Gdyby planeta miała echo 3:2, obserwowaliby każdą półkulę dwukrotnie i powinni być w stanie wykryć różnicę między tymi dwiema półkulami.

W tym scenariuszu powierzchnia nagrzewałaby się, stopiłaby, a nawet wyparowała w ciągu dnia, tworząc niezwykle cienką atmosferę, którą Webb mógłby wykryć. Wieczorem para schładza się i skrapla, tworząc krople lawy, które spływają z powrotem na powierzchnię, zamieniając się ponownie w stałą, gdy zapada noc.

Nieco chłodniejszy Super Earth LHS 3844 b

Podczas gdy 55 Cancri e zapewni wgląd w dziwną geologię pokrytego lawą świata, LHS 3844 B Daje wyjątkową okazję do analizy twardych skał[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.