Как телескоп Джеймс Уэбб определил температуру экзопланеты?

Телескоп "Джеймс Уэбб" уже прославился тем, что позволяет получать информацию, которую раньше получить было невозможно. Теперь ему удалось определить температуру экзопланеты. Астрономы считают космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) вершиной космических телескопов. Это самый большой и самый мощный телескоп из когда-либо запущенных в космос, он является преемником космического телескопа "Хаббл".

Многие считают, что с помощью JWST мы сможем наблюдать более отдаленные регионы Вселенной, чем когда-либо прежде. В его состав входят несколько камер и спектрометров, способных регистрировать инфракрасное излучение. Среди них — спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSPEC), прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) и камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam).

Ученые рассчитывают получить информацию, которая поможет определить, как выглядела ранняя Вселенная, как формировались и эволюционировали галактики, как рождались звезды внутри туманных газовых и пылевых масс.

Однако еще одной важной миссией JWST является исследование атмосфер экзопланет и определение наличия на наблюдаемых планетах компонентов, необходимых для возникновения жизни.

27 марта 2023 года JWST удалось измерить дневную температуру каменистой экзопланеты TRAPPIST-1 b. В этой статье мы рассмотрим, как JWST удалось этого добиться.

Теоретическое измерение температуры планеты

Теоретически мы можем измерить температуру небесных тел с помощью закона Стефана-Больцмана. Этот закон связывает температуру тела с его потоком (мерой количества излучаемого им света).

Таким образом, чтобы теоретически рассчитать температуру планеты, необходимо определить поток ее родительской звезды (который можно измерить), расстояние между планетой и звездой, а также "альбедо" планеты. Альбедо — это величина, учитывающая долю звездного света, отраженного от планеты.

Планета с альбедо, равным 1 (единице), будет идеально отражать весь падающий на нее свет, в то время как планета с альбедо, равным 0 (нулю), будет поглощать все падающее на нее излучение.

Затем астрономы определяют температуру планеты, используя величину альбедо планеты и суммарный поток от звезды-хозяина.

Этот метод расчета температуры планеты является простым и довольно грубым, поскольку не учитывает внутренние физические процессы и механизмы в атмосфере планеты, например, ее перераспределение тепла. Он также не учитывает тот факт, что ближняя и дальняя стороны планеты по отношению к звезде будут иметь разную температуру.

Однако мы можем разработать модели, учитывающие эффект перераспределения тепла атмосферой вокруг планеты. Эти модели могут также учитывать влияние приливной блокировки, когда одна сторона планеты всегда обращена к звезде, и даже цвет поверхности планеты (чем она темнее, тем больше поглощается излучение из космоса).

Измерение температуры планеты с помощью MIRI

На борту JWST установлено несколько камер и спектрометров. С помощью прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument), состоящего из камеры и спектрографа, была измерена температура дневной стороны планеты TRAPPIST-1 b.

Фотометрические наблюдения TRAPPIST-1 b были выполнены MIRI как раз в момент начала ее вторичного затмения. Вторичное затмение — это момент, когда экзопланета начинает отставать от звезды-хозяина, как это видно наблюдателю, подобному JWST. Наблюдения на JWST проводились с использованием фильтра F1500W телескопа MIRI. Этот фильтр позволяет обнаружить инфракрасное излучение определенной длины волны, подобное тому, которое ученые ожидают увидеть от экзопланет.

Поскольку TRAPPIST-1 b является планетой, она не излучает никакого собственного света. Однако при наблюдении в инфракрасном диапазоне она светится. Поэтому MIRI является идеальным инструментом для наблюдения экзопланет. Обнаружив ее в инфракрасном диапазоне, мы можем определить ее поток или яркость.

MIRI, используя фильтр F1500W, наблюдал TRAPPIST-1 b в течение пяти различных периодов вторичных наблюдений. Данные наблюдений состоят из измерения яркости планеты в инфракрасном излучении. Затем ученые уменьшают и оптимизируют их с помощью компьютерных программ и получают "кривую блеска" экзопланеты.

На кривой блеска видно, как уменьшается поток инфракрасного излучения после начала вторичного затмения. Перед началом затмения JWST регистрирует яркость звезды TRAPPIST-1 и ее экзопланеты TRAPPIST-1 b. Однако, когда планета начинает двигаться за своей звездой, она скрывается из поля зрения телескопа. Это проявляется в небольшом уменьшении яркости, наблюдаемой JWST. Это уменьшение яркости проявляется в виде небольшого провала на кривой блеска.

Чтобы получить температуру планеты, астрономы сначала измеряют это уменьшение яркости, называемое также глубиной затмения, по кривой блеска экзопланеты. По этому значению глубины определяется поток планеты в дневное время. Затем астрономы используют закон излучения Планка для определения температуры.

С помощью этого метода дневная температура экзопланеты TRAPPIST-1 b была оценена примерно в 503 К.

Температура и атмосфера TRAPPIST-1 b

Между тем компьютерные модели показывают, что если бы у TRAPPIST-1 b не было атмосферы с правильным распределением тепла, то ее температура была бы чуть выше 500 К. Однако если бы у TRAPPIST-1 b была атмосфера, равномерно распределяющая тепло, то ее дневная температура была бы близка к 400 К.

Из сравнения этих моделей следует, что TRAPPIST-1 b, скорее всего, является каменистой планетой без атмосферы. Если бы у нее была атмосфера, то тепло распределялось бы по ней равномерно, снижая ее дневную температуру.

Это достижение JWST - только начало. Его способность обнаружить вторичное затмение сама по себе является огромным достижением. Измеряя температуру планеты, мы можем выяснить, есть ли у нее атмосфера, что является важным шагом для определения возможности существования жизни на планете.

По мере увеличения числа подобных наблюдений за другими планетами мы будем больше узнавать о шансах развития жизни на других планетах. Выяснение вопроса о происхождении жизни также является одной из задач JWST. Ученые надеются, что это новое поколение наблюдений сможет предоставить больше информации о свойствах атмосфер других экзопланет, находящихся в космосе.