Webbův teleskop odhalil překvapivá tajemství exoplanety Trappist-1 b

Nedávná měření provedená vesmírným dalekohledem Jamese Webba (JWST) zpochybňují dosavadní představy o povaze exoplanety Trappist-1 b. Doposud se předpokládalo, že jde o tmavou kamennou planetu bez atmosféry, která vznikla v důsledku miliardy let trvajícího působení kosmického záření a dopadu meteoritů. Zdá se, že opak je pravdou. Povrch nevykazuje žádné známky zvětrávání, což by mohlo svědčit o geologické činnosti, jako je vulkanismus a desková tektonika. Alternativou je také planeta se zamlženou atmosférou tvořenou oxidem uhličitým. Výsledky ukazují na náročnost určování vlastností exoplanet s řídkou atmosférou.

Trappist-1 b je jednou ze sedmi kamenných planet obíhajících kolem hvězdy Trappist-1, která se nachází ve vzdálenosti 40 světelných let. Tento planetární systém je unikátní, protože umožňuje astronomům studovat sedm planet podobných Zemi z relativně malé vzdálenosti, přičemž tři z nich se nacházejí v tzv. obyvatelné zóně. To je oblast v planetárním systému, kde by planeta mohla mít na povrchu kapalnou vodu. K dnešnímu dni se na tento systém zaměřilo deset výzkumných programů s vesmírným dalekohledem Jamese Webba, které trvaly 290 hodin.

Současnou studii, na níž se významně podíleli vědci z Astronomického ústavu Maxe Plancka (MPIA) v Heidelbergu, vedla Elsa Ducrotová z Commissariat aux Énergies Atomiques (CEA) v Paříži. Tato studie využívá měření infračerveného záření – v podstatě tepelného záření – planety Trappist-1 b pomocí přístroje MIRI (Mid-Infrared Imager) na JWST a byla nyní publikována v časopise Nature Astronomy.

Kůra Trappist-1 b by mohla být geologicky aktivní
„Představa kamenné planety se silně zvětralým povrchem bez atmosféry však neodpovídá současným měřením,“ říká astronom MPIA Jeroen Bouwman, který byl spoluzodpovědný za pozorovací program. „Proto se domníváme, že planeta je pokryta relativně nezměněným materiálem. Obvykle je povrch planety zvětráván zářením centrální hvězdy a dopady meteoritů. Výsledky však naznačují, že hornina na povrchu je stará nanejvýš asi 1000 let, stáří samotné planety se však odhaduje na několik miliard let.“

To by mohlo naznačovat, že kůra planety podléhá dramatickým změnám, které by mohly být vysvětleny extrémním vulkanismem nebo deskovou tektonikou. I když je takový scénář v současné době stále hypotetický, je přesto pravděpodobný. Planeta je dostatečně velká na to, aby se v jejím nitru mohlo uchovat zbytkové teplo z doby jejího vzniku – podobně jako u Země. Slapové působení centrální hvězdy a ostatních planet může také deformovat Trappist-1 b tak, že výsledné vnitřní tření vytváří teplo – podobně jako to pozorujeme u Jupiterova měsíce Io. Kromě toho by bylo možné uvažovat o indukčním ohřevu magnetickým polem blízké hvězdy.

Mohla by mít Trappist-1 b přece jen atmosféru?
„Data umožňují i zcela jiné řešení,“ říká Thomas Henning, emeritní ředitel MPIA. Byl jedním z hlavních architektů přístroje MIRI. „Na rozdíl od předchozích představ existují podmínky, za kterých by planeta mohla mít hustou atmosféru bohatou na oxid uhličitý. Klíčovou roli v tomto scénáři hraje opar ze sloučenin uhlovodíků, tedy smog v horních vrstvách atmosféry.“

Oba pozorovací programy, které se v této studii vzájemně doplňují, byly navrženy tak, aby měřily jasnost planety Trappist-1 b na různých vlnových délkách v tepelném infračerveném oboru (12,8 a 15 mikrometrů). První pozorování bylo citlivé na absorpci infračerveného záření planety vrstvou oxidu uhličitého. Nebylo však naměřeno žádné ztemnění, což vedlo vědce k závěru, že planeta nemá atmosféru.

Na připojeném schématu je zobrazení infračerveného jasu vyzařovaného planetou Trappist-1 b v oblasti 12,8 a 15 mikrometrů pro různé scénáře zahrnující holou horninu a atmosféru. Čtyři případy naznačují, které z nich se shodují se současnými daty a které ne. (a) Tmavá holá hornina produkuje infračervenou jasnost větší, než je pozorováno. (b) Pozorovaný infračervený jas je dobře slučitelný s povrchem magmatické horniny, která je zvětralá jen mírně nebo vůbec. (c) Atmosféra oxidu uhličitého a vysoký závoj mlhy by také mohly vysvětlit naměřené údaje v tom smyslu, že velká část infračerveného záření pochází z horních vrstev atmosféry. (d) Atmosféry podobné Zemi pohlcují část infračerveného záření generovaného povrchem, což by vedlo k intenzitám, které nebyly pozorovány u Trappist-1 b.

Výzkumný tým provedl modelové výpočty, které ukazují, že mlha může zvrátit teplotní stratifikaci atmosféry bohaté na oxid uhličitý. Spodní, přízemní vrstvy, jsou obvykle teplejší než horní, protože v nich panuje vyšší tlak. Jelikož mlha pohlcuje světlo hvězdy a zahřívá se, ohřívala by naopak horní vrstvy atmosféry, což by bylo podpořeno skleníkovým efektem. V důsledku toho tam oxid uhličitý sám vyzařuje infračervené záření.

Něco podobného pozorujeme i na Saturnově měsíci Titanu. Jeho mlžná vrstva se tam s největší pravděpodobností tvoří pod vlivem slunečního ultrafialového (UV) záření z plynů bohatých na uhlík v atmosféře. K podobnému procesu může docházet i na Trappist-1 b díky tomu, že jeho hvězda vyzařuje značné množství UV záření.

Je to složité
I kdyby data odpovídala tomuto scénáři, astronomové ho stále považují za méně pravděpodobný. Na jedné straně je obtížnější, i když ne nemožné, vyrobit uhlovodíkové sloučeniny, které tvoří mlhu, z atmosféry bohaté na oxid uhličitý. Atmosféra Titanu se však skládá převážně z metanu. Na druhé straně zůstává problémem, že aktivní červené trpasličí hvězdy, mezi něž patří i Trappist-1, produkují záření a vítr, které mohou během miliard let snadno erodovat atmosféry blízkých planet.

Trappist-1 b je názorným příkladem toho, jak obtížné je v současnosti detekovat a určit atmosféry skalnatých planet – a to i pro JWST. Ve srovnání s plynnými planetami jsou řídké a vytvářejí jen slabé měřitelné signatury. Dvě pozorování ke studiu planety Trappist-1 b, která poskytla hodnoty jasnosti na dvou vlnových délkách, trvala téměř 48 hodin, což nestačilo k tomu, aby bylo možné nade vší pochybnost určit, zda planeta má atmosféru.

Zatmění a zákryty jako nástroje
Při pozorování jsme využili mírného sklonu roviny planety vůči naší přímce pohledu ke hvězdě Trappist-1. Tato orientace způsobuje, že sedm planet prochází před hvězdou a během každého oběhu ji mírně zatemní. V důsledku toho se tak dozvídáme o povaze planet a jejich atmosférách hned několika způsoby.

Obrázek ukazuje pozorování planety Trappist-1 b během tranzitu. Podél její dráhy jsou vidět různé oblasti jejího povrchu. Strana přivrácená ke hvězdě je mnohem teplejší a vyzařuje jasné tepelné infračervené světlo. Úplný signál je zachycen těsně před a po zákrytu planety, přičemž během události je zaznamenána pouze jasnost hvězdy. Na spodním panelu je graf znázorňující měření jasnosti hvězdy samotné a v kombinaci s denní stranou planety, přičemž jsou zdůrazněny změny jasnosti v čase.

Jako spolehlivá metoda se osvědčila tzv. tranzitní spektroskopie. Ta spočívá v měření zeslabení hvězdy v důsledku zákrytu její planetou v závislosti na vlnové délce. Kromě zákrytu neprůhledným planetárním tělesem, z něhož astronomové určují velikost planety, pohlcují atmosférické plyny světlo hvězdy na určitých vlnových délkách. Z toho mohou odvodit, zda má planeta atmosféru a z čeho se skládá. Tato metoda má bohužel své nevýhody, zejména u planetárních systémů, jako je Trappist-1. Chladné červené trpasličí hvězdy často vykazují velké hvězdné skvrny a silné erupce, což měření výrazně ovlivňuje.

Astronomové tento problém do značné míry obcházejí tím, že místo toho pozorují stranu exoplanety ohřívanou hvězdou v tepelném infračerveném světle, jako je tomu v současné studii s planetou Trappist-1 b. Jasná denní strana je obzvláště dobře viditelná těsně před a po tom, co planeta zmizí za hvězdou. Infračervené záření, které planeta uvolňuje, obsahuje informace o jejím povrchu a atmosféře. Taková pozorování jsou však časově náročnější než tranzitní spektroskopie.

Vzhledem k potenciálu těchto měření tzv. sekundárních zatmění NASA nedávno schválila rozsáhlý pozorovací program zaměřený na studium atmosfér kamenných planet kolem blízkých hvězd s nízkou hmotností. Tento mimořádný program s názvem „Rocky Worlds“ zahrnuje 500 hodin pozorování pomocí JWST.

Jistota o Trappist-1 b
Výzkumný tým očekává, že se mu podaří získat definitivní potvrzení pomocí další varianty pozorování. Ta zaznamená kompletní oběžnou dráhu planety kolem hvězdy, včetně všech fází osvětlení od temné noční strany při přechodu před hvězdou až po jasnou denní stranu krátce před a po zákrytu hvězdou. Tento přístup umožní týmu vytvořit takzvanou fázovou křivku udávající změny jasnosti planety podél její dráhy. Díky tomu mohou astronomové odvodit rozložení povrchové teploty planety.

Tým již toto měření provedl u planety Trappist-1 b. Na základě analýzy rozložení tepla na planetě mohou usuzovat na přítomnost atmosféry. Atmosféra totiž pomáhá přenášet teplo z denní strany na noční. Pokud se teplota na přechodu mezi oběma stranami prudce změní, svědčí to o nepřítomnosti atmosféry.

Zdroj: https://www.mpg.de/23867891/trappist-1-b-atmosphere

autor: František Martinek