Celem tego przeglądu jest zapoznanie czytelników z wyglądem teoretycznego widma atmosfery egzoplanety podobnej do Ziemi oraz z przykładowymi widmami obserwowanymi do tej pory. Od roku 2022 obserwacje atmosfer egzoplanet osiągnęły niespotykaną dokładność dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba. Oczekuje się, że wkrótce zostanie odkryta planeta o widmie podobnym do tego z ilustracji tytułowej. Analiza widm atmosfer egzoplanet pozwoli zidentyfikować planety nadające się do życia. Do tej pory badania takie opierały się na obserwacjach z teleskopów naziemnych i Teleskopu Hubble’a.
Spektroskopia transmisyjna: klucz do zrozumienia egzoplanet
Do badań atmosfer planet orbitujących wokół odległych gwiazd wykorzystuje się spektroskopię transmisyjną. Zrozumienie atmosfer i widm Ziemi oraz innych planet Układu Słonecznego jest kluczowe do właściwej interpretacji widm transmisyjnych egzoplanet. Widmo transmisyjne egzoplanety uzyskuje się podczas wielogodzinnych obserwacji w różnych długościach fali λ (barwach) jej przejścia na tle gwiazdy macierzystej (tzw. tranzyt) oraz poza tą fazą.
Podczas analizy wykresów widm transmisyjnych należy zwrócić uwagę, że oś „Y” (oś rzędnych) strumienia energii świetlnej może prezentować ilość światła blokowanego przez atmosferę egzoplanety (najczęstsza wersja grafiki) lub ilość światła gwiazdy macierzystej przenikającej przez atmosferę egzoplanety. Ludzkie oko jest wrażliwe na fotony o kolorach λ ~0,38-0,78 μm, gdzie mikron 1 μm = 0,000001 m.
Razem do czystego środowiska odc. 4 – edukacyjny film animowany
Instrumenty Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
Teleskop Webba wyposażony jest w instrument MIRI do obserwacji w średniej (λ~5-28 μm) podczerwieni (ang. mid-infrared) i przeznaczony jest m.in. do obserwacji planet, komet, asteroid, pyłu rozgrzanego światłem gwiazd i dysków protoplanetarnych. Do obserwacji w bliskiej (λ~0,6-5 μm) podczerwieni (ang. near-infrared) wykorzystuje więcej instrumentów: NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS, które pozwalają obserwować gwiazdy i galaktyki w procesie powstawania, populacje gwiazd w najbliższych galaktykach, młode gwiazdy w Drodze Mlecznej i obiekty Pasa Kuipera.
Przykładowe widma atmosfer egzoplanet i planet Układu Słonecznego
Model widma Ziemi
Model widma transmisyjnego atmosfery planety podobnej do Ziemi w zakresie długości fali λ~0,4-20 μm (zakres optyczny + bliska i średnia podczerwień) z symulacji Lisy Kaltenegger i Zifan Lin 2021 ApJL 909. Widać tutaj długości fali, w których promieniowanie gwiazdy jest pochłaniane przez molekuły ozonu (O3), wody (H2O), dwutlenku węgla (CO2) i metanu (CH4).
Porównanie widm Marsa, Ziemi i Wenus
Analiza z 2018 roku (sprzed epoki obserwacji Teleskopem Webba) fragmentu widm atmosfer trzech planet: Mars, Ziemia i Wenus. „Dołki”, czyli absorpcje w widmach wskazują na różne rodzaje gazów występujących w atmosferach. Wszystkie planety wykazują znaczną zawartość dwutlenku węgla (ang. carbon dioxide), ale tylko w atmosferze Ziemi oprócz dwutlenku węgla wyraźnie występuje woda i ozon (ang. water, ozone).
Pierwsze widmo atmosfery Marsa z Teleskopu Webba
Pierwsze widmo atmosfery planety Mars w bliskiej podczerwieni wykonane 5 września 2022 r. przez instrument NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba. W widmie widać połączenie promieniowania słonecznego odbitego od powierzchni Marsa (głównie λ~1-3 μm) i emitowanego przez planetę (głównie λ~3-5 μm). Głębokie dołki (absorpcje) są spowodowane pochłanianiem promieniowania przez gazy występujące w atmosferze (np. dwutlenek węgla, wodę, tlenek węgla).
Egzoplaneta WASP-96 b: tropy chmur i zamglenia
Widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-96 b w bliskiej podczerwieni (λ~0,6-2,8 μm) wykonane 21 czerwca 2022 r. przez instrument NIRISS współpracujący z Teleskopem Webba. Gwiazda macierzysta WASP-96 ma parametry fizyczne podobne do Słońca i znajduje się w odległości około 1150 lat świetlnych od nas. WASP-96 b to egzoplaneta - „gorący olbrzym” (1,2 RJ, 0,48 MJ), która krąży wokół gwiazdy macierzystej w odległości 1/20 j.a. (~7 mln km) z okresem 3,5 ziemskiego dnia. Wstępna analiza widma tej planety wykazuje, że wysokość pików wodnych jest mniejsza niż oczekiwano z poprzednich obserwacji. Może to świadczyć o obecności chmur, które zmniejszają widoczność pary wodnej w widmie. Stopniowy spadek nachylenia widma po lewej stronie (mniejsze długości fali) wskazuje na obecność zamglenia w atmosferze egzoplanety. Na tej podstawie obliczono temperaturę atmosfery na +725°C.
Egzoplaneta WASP-39 b: bogactwo molekuł i dwutlenek siarki
Widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-39 b w bliskiej podczerwieni (λ~0,5-5,5 μm) wykonane przez instrument NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba w konfiguracji PRISM (z użyciem pryzmatu). Na podstawie widm astronomowie określili skład atmosfery egzoplanety WASP-39 b, która jest odległym o około 700 lat świetlnych „gorącym Saturnem” (planeta o wielkości porównywalnej do Saturna, ale poruszająca się wokół gwiazdy macierzystej po orbicie ciaśniejszej niż orbita Merkurego). Widać bogatą zupę molekularną w gorącej atmosferze tej planety (woda, dwutlenek węgla, tlenek węgla, sód) - w tym odkryte po raz pierwszy cząsteczki dwutlenku siarki (SO2). Niebieska linia przedstawia najlepiej dopasowany model teoretyczny atmosfery, a różnokolorowe prostokąty uwypuklają maksima przypisywane danym molekułom.
Wcześniejsze obserwacje WASP-39 b
Najlepsze w swoim czasie (2018 r.) widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-39 b w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a oraz teleskopy naziemne. Poprzez wyizolowanie promieniowania gwiazdy, które jest filtrowane przez atmosferę egzoplanety na barwy składowe, udało się astronomom znaleźć w widmie ewidentne ślady pary wodnej. Naukowcy przewidzieli, że powinna być woda na tej egzoplanecie, ale nie w tak dużej ilości, jak to wynika ze spektroskopii - trzy razy tyle co na Saturnie. To sugeruje, że planeta mogła uformować się w większej odległości od gwiazdy, gdzie była bombardowana przez materiał lodowy.
Symulowane widma skał bazaltowych i granitowych
W symulacji założono, że ta gorąca super-Ziemia znajduje się w odległości około 49 lat świetlnych. Dla porównania, szara linia reprezentuje model widma skał bazaltowych na podstawie pomiarów laboratoryjnych. Natomiast linia różowa przedstawia model widma dla skał granitowych - najbardziej popularna skała występująca w ziemskich kontynentach. Wymienione dwa rodzaje skał posiadają zupełnie inne widma, ponieważ składają się z innych minerałów, które absorbują i pochłaniają inne ilości promieniowania elektromagnetycznego w zależności od długości fali. Oczekuje się na obserwacje spektralne tej egzoplanety przez Teleskop Webba.
Egzoplaneta TOI-421 b: przewidywania składu atmosfery
Symulowane widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety TOI-421 b (odległość 244 lat świetlnych od Ziemi) w bliskiej podczerwieni, które powinny zarejestrować instrumenty NIRISS i NIRSpec współpracujące z Teleskopem Webba. Astronomowie wykorzystują modele numeryczne, aby przewidzieć, jak będzie wyglądało widmo egzoplanety przy założeniu prawdopodobnych warunków w jej atmosferze, takich jak temperatura, obfitości różnych gazów i rodzajów aerozoli. W tej szczególnej symulacji przyjęto, że gorący mini-Neptun TOI-421 b posiada gorącą wodorowo-węglowo-tlenową atmosferę, która nie zawiera chmur i aerozoli. Dzięki spektroskopii z użyciem Teleskopu Webba, w przyszłości będzie możliwa łatwa identyfikacja i pomiary ilościowe obfitości molekuł takich jak woda (H2O), metan (CH4) i dwutlenek węgla (CO2) w takiej atmosferze nie zawierającej aerozoli. W widmie widać silne maksima wskazujące na występowanie pary wodnej i dwutlenku węgla oraz mniejszej ilości metanu.
System TRAPPIST-1: poszukiwanie atmosfer wodorowych
Widma transmisyjne w bliskiej podczerwieni atmosfer czterech egzoplanet krążących wokół gwiazdy TRAPPIST-1 (odległość 40 lat świetlnych od Ziemi), które zostały wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Widma prezentują chemiczną budowę atmosfer czterech egzoplanet o wielkości zbliżonej do Ziemi orbitujących wewnątrz lub w pobliżu ekosfery gwiazdy TRAPPIST-1. Krzywe w kolorze fioletowym pokazują przewidywane sygnatury gazów takich jak woda i metan, które absorbują tylko wybrane długości fali promieniowania. Te gazy powinno dać się znaleźć w rozdętych atmosferach z wodorem jako głównym składnikiem - jak w gazowych planetach podobnych do Neptuna. Obserwacje spektroskopowe uzyskane Teleskopem Hubble’a są oznaczone zielonymi krzyżykami i nie ujawniają rozciągłych atmosfer dla trzech egzoplanet TRAPPIST-1 d, f, e. Natomiast konieczne są dalsze obserwacje dla czwartej egzoplanety TRAPPIST-1 g, aby zweryfikować, czy posiada rozciągłą atmosferę wodorową.
Wpływ chmur na widma egzoplanet: WASP-67 b vs. HAT-P-38 b
Bezchmurna atmosfera w WASP-67 b versus wypełniona chmurami w HAT-P-38 b. Taką interpretację sugerują widma transmisyjne atmosfer ww. egzoplanet w bliskiej podczerwieni uzyskane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Są to egzoplanety typu „gorący Jowisz”, krążące bardzo blisko gwiazd podobnych do Słońca. Astronomowie zmierzyli, jak promieniowanie macierzystych gwiazd jest filtrowane odpowiednio przez atmosferę każdej egzoplanety. Obserwacje spektroskopowe Teleskopu Hubble’a w bliskiej podczerwieni zostały wykorzystane do detekcji wody w atmosferach tych egzoplanet. Egzoplaneta HAT-P-38 b prezentuje sygnaturę wody w postaci maksimum absorpcyjnego w widmie, którą interpretuje się jako brak chmur i zamgleń w górnej atmosferze. Z drugiej strony, bardzo podobny gorący Jowisz WASP-67 b posiada prawie płaskie widmo, które wskazuje na brak struktury absorpcyjnej pochodzącej od wody - co interpretuje się, że większa część atmosfery WASP-67 b jest schowana za wysokimi chmurami.
Egzoplaneta WASP-121 b: dowody na istnienie stratosfery
Widmo (pomarańczowe kropki) w bliskiej podczerwieni atmosfery egzoplanety WASP-121 b - „ultra-gorącego Jowisza” (temperatura 2500K!!!), które zostało wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Układ znajduje się w odległości około 850 lat świetlnych od Ziemi. Wykres dostarcza dowody na istnienie stratosfery na planecie krążącej wokół innej gwiazdy. Podobnie jak na Ziemi, w stratosferze temperatura rośnie z wysokością. Świadczą o tym emisje pochodzące od wody w górnej atmosferze egzoplanety WASP-121 b. Dla porównania zaprezentowano w podobnej skali widmo atmosfery „nieudanej gwiazdy”, czyli brązowego karła, gdzie widać strukturę absorpcyjną pochodzącą od wody, która powstaje, ponieważ w atmosferze brązowego karła temperatura spada ze wzrostem wysokości.
