Webbův teleskop odhalil tajemství exoplanety typu subneptunu

Webbův teleskop JWST studoval TOI-421 b, horkou subneptunskou exoplanetu s čistou atmosférou bohatou na vodík, která obíhá kolem hvězdy podobné Slunci ve vzdálenosti 244 světelných let. Vesmír je plný zázraků a vesmírný teleskop Jamese Webba odkrývá jednu vrstvu vesmírného tajemství za druhou. V průlomové studii zveřejněné 5. května 2025 poskytl dalekohled bezprecedentní pohled na TOI-421 b, horkou subneptunskou exoplanetu, která přepisuje naše chápání těchto záhadných světů.

Co jsou subneptunské exoplanety?
Subneptuny jsou nejběžnějším typem exoplanet v naší Galaxii, přesto zůstávají zahaleny tajemstvím. Tyto planety, o něco větší než Země, ale menší než plynní obři, jako je Neptun, jsou plynné světy, které se v naší Sluneční soustavě nevyskytují. Jejich atmosféry jsou často zakryty hustou mlhou nebo mraky, což vědcům ztěžuje studium jejich složení – až doposud.

Před objevem na základě pozorování vesmírného dalekohledu Jamese Webba se astronomové snažili charakterizovat subneptuny kvůli jejich malé velikosti a nižším teplotám ve srovnání s horkými jupitery. Výsledkem pozorování byla často plochá spektra, která naznačovala mlhavé nebo zakalené atmosféry, jež blokovaly chemické otisky. Vypuštění JWST změnilo situaci a nabídlo bezkonkurenční citlivost a přesnost pro zkoumání těchto nepolapitelných světů.

TOI-421 b: Horký subneptun v záři reflektorů
TOI-421 b se nachází ve vzdáleném hvězdném systému a je horkým subneptunem obíhajícím kolem hvězdy podobné Slunci při teplotě 727 °C. Na rozdíl od chladnějších planet typu subneptunů, které byly zkoumány dříve, se TOI-421 b díky své vysoké teplotě nachází nad hranicí, kdy podle domněnek vědců nemusí docházet k fotochemickým reakcím za účasti metanu, při nichž vzniká mlha. To z něj učinilo hlavní cíl pro pozorování pomocí JWST, které vedla hlavní řešitelka Eliza Kemptonová z University of Maryland, College Park.

Pomocí Webbova spektrografu NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) a spektrografu NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) vědci pořídili detailní absorpční spektrum exoplanety TOI-421 b, když procházela před svou hostitelskou hvězdou. Výsledky byly ohromující: namísto plochého spektra bez čar odhalila data jasné spektrální čáry, které svědčí o atmosféře bez zákalu bohaté na specifické chemické látky.

Klíčová zjištění: Atmosféra s převahou vodíku
Pozorování JWST odhalila řadu informací o atmosféře TOI-421 b:
Vodní pára: Přítomnost vodní páry byla potvrzena, což představuje významný milník v charakterizaci subneptunských atmosfér.
Předběžné známky oxidu uhelnatého a oxidu siřičitého: Tyto molekuly naznačují složité chemické procesy probíhající v atmosféře planety.
Absence metanu a oxidu uhličitého: Na rozdíl od očekávání pro chladnější subneptuny nebyl detekován metan, což odpovídá hypotéze, že u horkých planet může chybět metan tvořící mlhu.
Atmosféra s převahou vodíku: Atmosféra je tvořena převážně lehkým vodíkem, což se podobá složení hostitelské hvězdy TOI-421.

Tato atmosféra s převahou vodíku byla překvapivým objevem. „Nedávno jsme se zaobírali myšlenkou, že subneptuny mají atmosféry složené z těžkých molekul,“ řekla Kemptonová. „Pak jsme zjistili opak.“ Zjištění naznačují, že TOI-421 b mohla vzniknout a vyvíjet se jinak než její chladnější protějšky, možná podobnými procesy jako plynní obři ve Sluneční soustavě.

Proč je TOI-421 b jedinečná?
TOI-421 b se od ostatních subneptunů zkoumaných pomocí JWST liší několika faktory:
Teplota: TOI-421 b je při teplotě 727 °C teplejší než většina pozorovaných subneptunů, které obvykle obíhají kolem chladnějších červených trpaslíků.
Hostitelská hvězda podobná Slunci: TOI-421 b obíhá kolem hvězdy podobné našemu Slunci, což může ovlivnit složení její atmosféry.
Čistá atmosféra: Absence zákalu umožnila JWST detekovat jasné spektrální čáry, které poskytují vzácný pohled na chemické složení planety.

Tyto vlastnosti vyvolávají zajímavé otázky: Je TOI-421 b typickou horkou subneptunskou planetou obíhající kolem hvězd podobných Slunci, nebo se jedná o odlehlou část rozmanité populace exoplanet? Vědci plánují studovat další horké subneptuny, aby zjistili trendy a zpřesnili modely vzniku a vývoje planet.

Jak JWST umožnil tento objev
Pokročilé schopnosti vesmírného dalekohledu Jamese Webba byly pro tento průlom zásadní. Jeho schopnost zachytit spektra s vysokým rozlišením v blízké infračervené oblasti umožnila vědcům odhalit jemné chemické stopy, které byly dříve zastřené. Přístroje NIRISS a NIRSpec teleskopu poskytly doplňující data, která umožnila komplexní analýzu atmosféry TOI-421 b.

„Pro tento druh vědy byl Webbův teleskop vytvořen,“ řekl Brian Davenport, doktorand na Marylandské univerzitě, který provedl analýzu primárních dat. „Odhalili jsme nový způsob, jak se podívat na tyto subneptuny, a horké planety jako TOI-421 b se ukazují jako ideální cíle pro podrobnou analýzu.“

Důsledky pro výzkum exoplanet
Objev čisté atmosféry TOI-421 b s převahou vodíku má dalekosáhlé důsledky pro naše chápání subneptunů:
Formování planet: Podobnost mezi atmosférou TOI-421 b a složením její hostitelské hvězdy naznačuje proces vzniku podobný procesu vzniku plynných obrů, což zpochybňuje stávající modely subneptunů.
Rozmanitost atmosféry: Zjištění poukazují na rozmanitost subneptunských atmosfér, přičemž rozhodující roli hraje teplota a typ hostitelské hvězdy.
Budoucí pozorování: Úspěch této studie otevírá cestu k zaměření se na další horké subneptuny, což urychlí naše poznání těchto běžných, ale záhadných planet.

Jak poznamenala Kemptonová, „lépe chápeme, jak se subneptuny formovaly a vyvíjely, a součástí toho je pochopení, proč se v naší Sluneční soustavě nevyskytují.“ Tyto poznatky nás přibližují k odpovědím na základní otázky o původu planetárních systémů a našem místě ve vesmíru.

Co bude dál s TOI-421 b a subneptunskými studiemi?
Výzkumný tým chce na tento objev navázat pozorováním dalších horkých subneptunů. Vědci doufají, že porovnáním planet s různými teplotami a hostitelskými hvězdami určí, zda TOI-421 b představuje širší třídu exoplanet, nebo jde o ojedinělý případ. Budoucí pozorování JWST se zaměří na zpřesnění atmosférických modelů a hledání dalších chemických stop, které by mohly prozradit více o historii těchto planet.

Výsledky, publikované 5. května 2025 v časopise Astrophysical Journal Letters, představují významný milník ve výzkumu exoplanet. Vzhledem k tomu, že JWST pokračuje ve zkoumání vzdálených světů, můžeme očekávat další objevy, které prohloubí naše chápání vesmíru.

Zdroj: https://www.jameswebbdiscovery.com/discoveries/webb-telescope-toi-421-b-sub-neptune

autor: František Martinek