Dawno, dawno temu GJ 1132 b była niewielką planetą typu gazowy olbrzym. Następnie potężne promieniowanie z jej gwiazdy macierzystej spaliło jej masywną otoczkę gazową, pozostawiając za sobą jedynie wysuszone skaliste jądro - superziemię o masie około 1,6 raza większej od naszej planety.
Teraz grupa naukowców z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL) w Pasadenie przeanalizowała obserwacje GJ 1132 b wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a i odkryła coś bardzo osobliwego: wydaje się, że planeta ponownie wytworzyła atmosferę. Co więcej, skład gazów sugeruje na jej wulkaniczne pochodzenie.
Na podstawie tego, co wiemy o naszym własnym Układzie Słonecznym, pełne przemiany atmosfery na planetach skalistych nie są rzadkością. Atmosfera Ziemi została całkowicie przebudowana dwukrotnie - najpierw przez aktywność wulkaniczną i uderzenia meteorytów, a następnie przez pojawienie się życia. Mars jest przy swojej drugiej lub trzeciej atmosferze. Jednak po raz pierwszy odnotowano istnienie wtórnej atmosfery na egzoplanecie.
Niektórzy badacze uważają, że wykrycie jest bardziej niepewne, niż twierdzi zespół. Ale jeśli tak się stanie, może to mieć szersze implikacje dla teorii formowania się planet - i pokazać, że badanie atmosfer egzoplanet może również zaoferować wgląd w to, co dzieje się pod ich powierzchnią.
Teraz grupa naukowców z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL) w Pasadenie przeanalizowała obserwacje GJ 1132 b wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a i odkryła coś bardzo osobliwego: wydaje się, że planeta ponownie wytworzyła atmosferę. Co więcej, skład gazów sugeruje na jej wulkaniczne pochodzenie.
Na podstawie tego, co wiemy o naszym własnym Układzie Słonecznym, pełne przemiany atmosfery na planetach skalistych nie są rzadkością. Atmosfera Ziemi została całkowicie przebudowana dwukrotnie - najpierw przez aktywność wulkaniczną i uderzenia meteorytów, a następnie przez pojawienie się życia. Mars jest przy swojej drugiej lub trzeciej atmosferze. Jednak po raz pierwszy odnotowano istnienie wtórnej atmosfery na egzoplanecie.
Niektórzy badacze uważają, że wykrycie jest bardziej niepewne, niż twierdzi zespół. Ale jeśli tak się stanie, może to mieć szersze implikacje dla teorii formowania się planet - i pokazać, że badanie atmosfer egzoplanet może również zaoferować wgląd w to, co dzieje się pod ich powierzchnią.
Odświeżone powietrze
GJ 1132 b orbituje wokół czerwonego karła zaledwie 40 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Vela. Została odkryta w 2015 roku przez zespół z Uniwersytetu Harvarda, który użył zestawu małych teleskopów naziemnych do poszukiwania tranzytów - kiedy planeta przechodzi przed swoją gwiazdą macierzystą i lekko ją przyciemnia.
Podczas tranzytów astronomowie mogą również badać atmosferę egzoplanety, obserwując, jakie długości fal atmosfera absorbuje, gdy przechodzi przez nią światło gwiazdy. Używając tej metody, w 2017 roku, europejski zespół doniósł o znalezieniu bogatej w wodę atmosfery. Jednak dalsze obserwacje prowadzone przez niektórych badaczy poddały to w wątpliwość - zespół stwierdził, że ich dane są zgodne z brakiem atmosfery. Brak atmosfery był również zgodny z teorią, która przewiduje, że skalisty świat znajdujący się tak blisko swojej gwiazdy nie może zachować swojej pierwotnej atmosfery - szybko wyparowałaby ona w przestrzeń kosmiczną.
Jednak nowe badania, opublikowane w Astronomical Journal dodają kolejne dowody na to, że GJ 1132 b posiada atmosferę. Korzystając z danych, które Hubble zebrał w 2016 roku, naukowcy zidentyfikowali gazy, w tym cyjanowodór i metan. "Ten świat naprawdę się wyróżniał, ponieważ jest mały i z wyraźną sygnaturą spektralną" - mówi Mark Swain z JPL, który kierował pracami.
Jednak nie obala to całkowicie teorii o braku atmosfery. Zespół modelował ewolucję planety i doszedł do wniosku, że GJ 1132 b - której temperatura wynosi 227 stopni Celsjusza - prawdopodobnie straciła pierwotną atmosferę wodoru i helu w ciągu pierwszych 100 milionów lat swojej ewolucji. Oznacza to, że to, co wykryto, jest drugą atmosferą planety.
Atmosfera wczesnej Ziemi została ukształtowana przez uderzenia meteorytów i aktywność wulkaniczną. / Laboratorium obrazów koncepcyjnych w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA
"Jest bardzo prawdopodobne, że planeta straciła wszystko na samym początku" - mówi Raissa Estrela z JPL, współautorka badania. "Jednak obserwacje tranzytu pokazują cechy spektralne, co oznacza, że na pewno istnieje atmosfera". I te cechy, dodaje, sugerują, że gazy są bogate w wodór i niskie w zawartość tlenu - co sugeruje, że mogą być wyjaśnione przez wulkaniczne gazy.
Wykrycie wtórnej atmosfery pochodzącej z aktywności wulkanicznej byłoby pierwszym tego typu odkryciem w badaniach egzoplanet.
Przed GJ 1132 b, wszystkie atmosfery egzoplanet, jakie kiedykolwiek widzieliśmy, formowały się w ten sam sposób: podczas początkowego formowania się lokalnego układu, protoplanety rosną poprzez akrecję materiału z dysku gazowego wokół ich gwiazd-gospodarzy, a ich atmosfery pochodzą z pozostałej otoczki gazowej.
Ponieważ ich modelowanie wykluczyło możliwość przetrwania tej pierwotnej atmosfery na GJ 1132 b, Swain i jego koledzy zwrócili się do pracy z 2019 roku, która proponuje etap w procesie, w którym rodząca się planeta akreująca atmosferę wodorową może wchłonąć wodór do swojego stopionego płaszcza. Ten rezerwuar wodoru, jak proponuje zespół, mógłby zostać uwolniony później poprzez aktywność wulkaniczną.
Istnieją pewne dowody na to, że ten cykl dział się na pierwotnej Ziemi, która miała odmienny skład atmosfery niż dzisiaj. "Istnieją pewne skały, które zostały wydobyte z płaszcza Ziemi, które wykazują bardzo niską zawartość tlenu," mówi Swain. Wielu geologów uważa, że skały te powstały, gdy Ziemia miała pierwotną, bogatą w wodór atmosferę - która w końcu weszła głęboko w ziemię.
Zespół modelował tę możliwość dla GJ 1132 b i stwierdził, że jeśli ta bogata w wodór magma uwalniała swój gaz nad ziemią, mogła wytworzyć to, co tam zaobserwowano. Obejmuje to cechy takie jak niezwykle wysoki poziom cyjanowodoru na planecie, który stanowi około 0,5 procent całkowitej atmosfery planety.
Badanie to jest pierwszym, które łączy obserwacje atmosfery z teoriami formowania się płaszcza planety, co ma również szersze implikacje dla badania formowania się egzoplanet. Jedna z teorii głosi, że wiele superziem to tak naprawdę pozostałości rdzeni subneptunów - klasy gazowych planet, których wzrost zatrzymuje się, zanim osiągną rozmiar Neptuna - które utraciły swoją pierwotną otoczkę gazową. Badanie to wskazuje możliwość, że takie światy mogą nadal posiadać atmosfery, które astronomowie mogą badać, nawet jeśli planety te znajdują się bardzo blisko swoich gwiazd.
"Nasze wyniki są obserwacyjnym dowodem na to, że przynajmniej w niektórych przypadkach planety tej klasy mogą ponownie wytworzyć atmosferę" - mówi Swain.
Wulkaniczne pochodzenie
Wykrycie wtórnej atmosfery pochodzącej z aktywności wulkanicznej byłoby pierwszym tego typu odkryciem w badaniach egzoplanet.
Przed GJ 1132 b, wszystkie atmosfery egzoplanet, jakie kiedykolwiek widzieliśmy, formowały się w ten sam sposób: podczas początkowego formowania się lokalnego układu, protoplanety rosną poprzez akrecję materiału z dysku gazowego wokół ich gwiazd-gospodarzy, a ich atmosfery pochodzą z pozostałej otoczki gazowej.
Ponieważ ich modelowanie wykluczyło możliwość przetrwania tej pierwotnej atmosfery na GJ 1132 b, Swain i jego koledzy zwrócili się do pracy z 2019 roku, która proponuje etap w procesie, w którym rodząca się planeta akreująca atmosferę wodorową może wchłonąć wodór do swojego stopionego płaszcza. Ten rezerwuar wodoru, jak proponuje zespół, mógłby zostać uwolniony później poprzez aktywność wulkaniczną.
Istnieją pewne dowody na to, że ten cykl dział się na pierwotnej Ziemi, która miała odmienny skład atmosfery niż dzisiaj. "Istnieją pewne skały, które zostały wydobyte z płaszcza Ziemi, które wykazują bardzo niską zawartość tlenu," mówi Swain. Wielu geologów uważa, że skały te powstały, gdy Ziemia miała pierwotną, bogatą w wodór atmosferę - która w końcu weszła głęboko w ziemię.
Zespół modelował tę możliwość dla GJ 1132 b i stwierdził, że jeśli ta bogata w wodór magma uwalniała swój gaz nad ziemią, mogła wytworzyć to, co tam zaobserwowano. Obejmuje to cechy takie jak niezwykle wysoki poziom cyjanowodoru na planecie, który stanowi około 0,5 procent całkowitej atmosfery planety.
Badanie to jest pierwszym, które łączy obserwacje atmosfery z teoriami formowania się płaszcza planety, co ma również szersze implikacje dla badania formowania się egzoplanet. Jedna z teorii głosi, że wiele superziem to tak naprawdę pozostałości rdzeni subneptunów - klasy gazowych planet, których wzrost zatrzymuje się, zanim osiągną rozmiar Neptuna - które utraciły swoją pierwotną otoczkę gazową. Badanie to wskazuje możliwość, że takie światy mogą nadal posiadać atmosfery, które astronomowie mogą badać, nawet jeśli planety te znajdują się bardzo blisko swoich gwiazd.
"Nasze wyniki są obserwacyjnym dowodem na to, że przynajmniej w niektórych przypadkach planety tej klasy mogą ponownie wytworzyć atmosferę" - mówi Swain.
Obiecujący cel do obserwacji
Leslie Rogers, astrofizyk z Uniwersytetu w Chicago, która nie brała udziału w tych badaniach, nie uważa, że dowody na istnienie wtórnej atmosfery są ostateczne.
"Myślę, że mogliby lepiej określić znaczenie statystyczne swoich wyników".
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie w stanie badać atmosfery egzoplanet z niespotykaną dotąd dokładnością / NASA
Przyznaje jednak, że dla każdej planety skalistej uzyskanie obserwacji atmosfery z dobrym stosunkiem sygnału do szumu jest wyzwaniem. Dlatego też astronomowie z niecierpliwością oczekują na wystrzelenie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), który ma wystartować 31 października 2021 roku. Będzie on miał znacznie lepszą precyzję i czułość obserwacyjną do charakteryzowania atmosfer egzoplanet niż obecne instrumenty.
Rogers uważa, że choć nowe badanie nie jest rozstrzygające, "obserwacja wskazuje na niezwykły świat, który z pewnością wart jest kolejnego spojrzenia."
Rogers uważa, że choć nowe badanie nie jest rozstrzygające, "obserwacja wskazuje na niezwykły świat, który z pewnością wart jest kolejnego spojrzenia."
"Rywalizacja o czas na JWST będzie zacięta, lecz te nowe wyniki z Hubble'a mogą dać impuls do złożenia wniosku o dostęp".
Źródło: astronomy.com
