Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), команда астрономов под руководством MPIA сфотографировала новую экзопланету, которая вращается вокруг звезды в соседней тройной системе Эпсилон Инди. Эта планета представляет собой холодный супер-Юпитер с температурой около 0 градусов по Цельсию и широкой орбитой, сравнимой с орбитой Нептуна вокруг Солнца.
Это измерение стало возможным только благодаря беспрецедентным возможностям JWST в области визуализации в тепловом инфракрасном диапазоне. Оно демонстрирует потенциал обнаружения еще многих подобных планет, похожих на Юпитер по массе, температуре и орбите. Их изучение улучшит наши знания о том, как формируются газовые гиганты и эволюционируют во времени.
"Мы были взволнованы, когда поняли, что нам удалось сфотографировать эту новую планету", - сказала Элизабет Мэтьюз, научный сотрудник Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Она является основным автором статьи, опубликованной в журнале Nature.
"К нашему удивлению, яркое пятно, появившееся на наших снимках MIRI, не соответствовало ожидаемому положению планеты", - отмечает Мэтьюз. "Предыдущие исследования правильно идентифицировали планету в этой системе, но недооценили массу и орбитальное расстояние этого газового гиганта-супер-Юпитера". С помощью JWST команда смогла внести ясность в этот вопрос.
Это обнаружение довольно необычно во многих отношениях. На нем показана первая экзопланета, полученная с помощью JWST, которая еще не была получена с земли и которая намного холоднее, чем газовые планеты, которые JWST изучала до сих пор. "Изображение" означает, что планета отображается на снимках в виде яркой точки и, таким образом, представляет собой прямое доказательство. Методы определения транзитной и лучевой скорости являются косвенным доказательством, поскольку планета проявляется только через свое опосредованное воздействие.
Наблюдения JWST обновляют предыдущие измерения
Планета вращается вокруг главного компонента близлежащей тройной звездной системы, Эпсилон Инди, или Eps Ind, для краткости. Согласно астрономическим правилам, название Eps Ind A относится к этой главной звезде, красному карлику, который немного меньше и холоднее Солнца. Для создания названия планеты добавляется буква "в", в результате чего получается обозначение Eps Ind Ab.
Новые данные JWST согласуются с тем, что супер-Юпитер имеет массу, в шесть раз превышающую массу Юпитера в Солнечной системе. Eps Ind Ab вращается вокруг своей звезды-хозяина по эксцентричной эллиптической орбите, максимальное расстояние от которой до Eps Ind A составляет от 20 до 40 астрономических единиц.
Астрономическая единица - это среднее расстояние между Землей и Солнцем, составляющее приблизительно 150 миллионов километров. Новые значения значительно отличаются от результатов предыдущих исследований, поэтому команда решила назвать эту планету "новой".
Холодные планеты, горячая наука
На сегодняшний день известно лишь несколько холодных газовых планет-гигантов, вращающихся вокруг звезд солнечного возраста, и все они были получены косвенным путем на основе измерений лучевой скорости. С помощью изображений и спектров планет астрономы могут изучать их атмосферы и прослеживать эволюцию планетных систем в сравнении с расчетными моделями.
Изучение планет в полностью устоявшихся планетных системах помогает свести концы с концами, касающиеся поздних стадий планетарной эволюции, и уточнить наше общее понимание формирования и эволюции планет.
Недавние наблюдения позволяют обнаружить гораздо больше таких холодных газовых планет-гигантов. Это позволит астрономам изучить новый класс экзопланет и сравнить их с газовыми гигантами Солнечной системы.
Как обнаружить холодные газовые планеты
Однако эти планеты трудно обнаружить с помощью классических методов обнаружения. Планеты, удаленные от своих звезд-хозяев, как правило, очень холодные, в отличие от горячих Юпитеров, которые вращаются вокруг своих звезд на расстоянии всего нескольких звездных радиусов. Маловероятно, что широкие орбиты будут выровнены по линии прямой видимости для получения транзитного сигнала. Кроме того, измерение их сигналов методом лучевой скорости является сложной задачей, поскольку можно контролировать только небольшой участок орбиты.
В более ранних исследованиях предпринимались попытки изучить планету-гигант, вращающуюся вокруг Eps Ind A, используя измерения лучевой скорости. Однако экстраполяция небольшой части орбиты привела к неверным выводам о свойствах планеты. В конце концов, Eps Ind Ab требуется около 200 лет, чтобы выйти на орбиту вокруг своей звезды. Наблюдений в течение нескольких лет недостаточно для определения орбиты с высокой точностью.
Поэтому команда, возглавляемая Мэтьюзом, разработала другой подход. Они хотели сфотографировать известную планету, используя метод, широко известный как прямая съемка. Поскольку звезды - хозяева экзопланет настолько яркие, что они затмевают любой другой близлежащий объект. Обычные камеры были бы ошеломлены ослепительным светом звезд.
По этой причине команда использовала камеру MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) компании JWST, оснащенную коронографом. Эта светонепроницаемая маска закрывает звезду, как при искусственном затмении. Еще одним преимуществом Eps Ind является близость к Земле, которая составляет всего 12 световых лет. Чем меньше расстояние до звезды, тем больше расстояние между двумя объектами на изображении, что дает больше шансов уменьшить помехи от звезды-хозяина. Прибор MIRI был идеальным выбором, поскольку он позволяет вести наблюдения в тепловом или среднем инфракрасном диапазоне, где холодные объекты ярко светятся.
Что мы знаем об Eps Ind Ab?
"Мы обнаружили в наших данных сигнал, который не соответствовал ожидаемой экзопланете", - говорит Мэтьюз. Светящаяся точка на изображении находилась не в предсказанном месте. "Но планета все равно выглядела как планета-гигант", - добавляет Мэтьюз. Однако, прежде чем сделать такую оценку, астрономы должны были исключить, что сигнал исходил от фонового источника, не связанного с Eps Ind A.
"Всегда трудно быть уверенным, но, судя по полученным данным, казалось маловероятным, что сигнал исходил от внегалактического фонового источника", - объясняет Лейндерт Бугаард, другой ученый из MPIA и соавтор исследовательской статьи.
Действительно, просматривая астрономические базы данных в поисках других наблюдений Eps Ind, команда наткнулась на данные изображений за 2019 год, полученные с помощью инфракрасной камеры VISIR, подключенной к очень большому телескопу Европейской южной обсерватории (ESO) (VLT). После повторного анализа изображений команда обнаружила слабый объект точно в том месте, где он должен был находиться, если исходное изображение, полученное с помощью JWST, принадлежало звезде Eps Ind A.
Ученые также попытались понять атмосферу экзопланеты, основываясь на доступных изображениях планеты в трех цветах: двух от JWST/MIRI и одном от VLT/VISIR. На коротких длинах волн Eps Ind Ab слабее, чем ожидалось. Это может указывать на значительное количество тяжелых элементов, в частности углерода, из которого образуются молекулы, такие как метан, двуокись углерода и монооксид углерода, обычно встречающиеся на планетах-газовых гигантах. В качестве альтернативы, это может указывать на облачную атмосферу планеты. Однако для получения окончательного заключения требуется дополнительная работа.
Планы и перспективы
Эта работа - только первый шаг к определению характеристик Eps Ind Ab. "Наша следующая цель - получить спектры, которые позволят нам получить подробную информацию о климатологии и химическом составе планеты", - говорит Томас Хеннинг, почетный директор MPIA, соавтор прибора MIRI и соавтор исследования. основная статья.
"В долгосрочной перспективе мы надеемся также наблюдать за другими близлежащими планетными системами в поисках холодных газовых гигантов, которые, возможно, не были обнаружены", - говорит Мэтьюз. "Такое исследование послужило бы основой для лучшего понимания того, как формируются и эволюционируют газовые планеты".
