Космический телескоп Уэбба предоставит подробности о двух интригующих «суперземлях» в Млечном Пути

Иллюстрация, показывающая, как может выглядеть планета 55 Cancri E, исходя из текущих представлений о планете. 55 Cancri — это каменистая планета, диаметр которой примерно в два раза больше Земли и которая вращается всего в 0,015 а.е. от своей солнцеподобной звезды. Из-за своей узкой орбиты планета очень горячая, температура в течение дня достигает 4400 градусов по Фаренгейту (около 2400 градусов по Цельсию). Спектроскопические наблюдения с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) Уэбба помогут определить, есть ли у планеты атмосфера, и если да, то из чего эта атмосфера состоит. Наблюдения также помогут определить, постепенно ли планета закрывается. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, Дэнни Плейер (STScI)

Астрономы натренируют спектрометр Уэбба с высоким разрешением на двух интересных каменистых экзопланетах.

Представьте, если бы Земля была намного ближе к Солнцу. Так близко, что целый год длился бы всего несколько часов. Настолько близко, что гравитация заперла одно полушарие в палящем дневном свете, а другое — в вечной тьме. Так близко, что океаны испаряются, скалы начинают таять, а лава льется облаками.

Хотя в нашей Солнечной системе нет ничего подобного, такие планеты — скалистые, размером с Землю, очень горячие и близкие к своим звездам — не редкость в нашей Солнечной системе.[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? NASA’s James Webb Space Telescope is about to provide some answers.

Exoplanet LHS 3844 b and Its Star

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Comparison of Exoplanets 55 Cancri e and LHS 3844 b to Earth and Neptune

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] У него есть чувствительность и диапазон длин волн, чтобы обнаруживать и идентифицировать его компоненты».

Или вечером на 55 Cancri E идет дождь из лавы?

Однако еще одна интересная возможность заключается в том, что у 55 Cancri e нет блокировки безеля. В качестве альтернативы он может быть похож на Меркурий, совершающий три оборота за две орбиты (что известно как резонанс 3:2). В результате планета будет иметь дневной и ночной цикл.

«Это может объяснить, почему вращается более горячая часть планеты», — объяснил Алексис Брандекер, исследователь из Стокгольмского университета, возглавляющий другую группу, изучающую планету. “Как и на Земле, для нагрева поверхности потребуется время. Самое жаркое время дня будет после полудня, а не в полдень”.

Спектр теплового излучения экзопланеты LHS 3844 b

Спектр излучения горячего потенциала суперземли горячей экзопланеты LHS 3844 b, измеренный прибором Уэбба среднего инфракрасного диапазона. Спектр теплового излучения показывает количество света различных инфракрасных длин волн (цветов), излучаемого планетой. Исследователи используют компьютерные модели, чтобы предсказать, как будет выглядеть спектр теплового излучения планеты при определенных условиях, таких как наличие атмосферы и из чего состоит поверхность планеты.
Это конкретное моделирование предполагает, что LHS 3844 b не имеет атмосферы и что дневная сторона покрыта темным базальтом изверженных пород. (Базальт — самая распространенная магматическая горная порода в нашей Солнечной системе, из которой состоят вулканические острова, такие как Гавайи, и большая часть дна земного океана, а также большие участки поверхностей Луны и Марса.)
Для сравнения серая линия представляет собой типичный спектр базальтовых пород, основанный на лабораторных измерениях. Розовая линия — это спектр гранита, который является наиболее распространенной магматической породой, встречающейся на континентах Земли. Эти две породы имеют очень разные спектры, потому что они состоят из разных минералов, которые поглощают и излучают разное количество света с разной длиной волны.
После того, как Уэбб обнаружит планету, исследователи сравнит фактические модельные спектры различных типов горных пород, подобных этой, чтобы увидеть, из чего состоит поверхность планеты.
Источник: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL).

Команда Брандекера планирует проверить эту гипотезу, используя NIRCam для измерения тепла, излучаемого освещенной стороной 55 Cancri e на четырех различных орбитах. Если бы у планеты был резонанс 3:2, они наблюдали бы каждое полушарие дважды и могли бы обнаружить любую разницу между двумя полушариями.

В этом сценарии поверхность будет нагреваться, плавиться и даже испаряться в течение дня, образуя чрезвычайно разреженную атмосферу, которую мог обнаружить Уэбб. Вечером пар остывает и конденсируется, образуя капли лавы, которые дождем возвращаются на поверхность, а к ночи снова превращаются в твердое состояние.

Несколько круче Super Earth LHS 3844 b

В то время как 55 Cancri e даст представление об особенностях геологии покрытого лавой мира, LHS 3844 b дает уникальную возможность проанализировать твердые породы на[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

Leave a Comment