Методът, чрез който космическият телескоп Джеймс Уеб определи температурата на екзопланетата TRAPPIST-1 b

Телескопът „Джеймс Уеб“ вече е известен с това, че предоставя информация, която досега бе невъзможно да се получи. Той успя да определи температурата на една екзопланета. Астрономите считат, че космическият телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST) е върхът на космическите телескопи. Той е най-големият и най-мощният телескоп, изстрелван някога в космоса, и е наследник на космическия телескоп „Хъбъл“.

Мнозина вярват, че с JWST ще можем да наблюдаваме по-отдалечените региони на Вселената от когато и да било преди. Той включва няколко камери и спектрометри, способни да записват инфрачервеното излъчване. Сред тях са спектрографът за близкия инфрачервен спектър (NIRSPEC), инструментът за средния инфрачервен спектър (MIRI) и камерата за близкия инфрачервен спектър (NIRCam).

Учените очакват да получат информация, която ще помогне да се определи как е изглеждала ранната Вселена, как са се формирали и еволюирали галактиките и как са се зараждали звездите в мъглявите газови и прахови маси.

Другата важна мисия на JWST се състои в това да изследва атмосферите на екзопланетите и да определи дали наблюдаваните планети притежават компонентите, необходими за възникването на живот.

На 27-ми март 2023 г. JWST успя да измери дневната температура на скалистата екзопланета TRAPPIST-1 b. В тази статия ще разгледаме как JWST постигна това.

Теоретично измерване на планетарната температура

Теоретично можем да измерим температурата на небесните тела, като използваме закона на Стефан-Болцман. Този закон свързва температурата на дадено тяло с неговия светлинен поток ( мярката за количеството светлина, което излъчва).

Следователно, за да се изчисли теоретично температурата на една планета, трябва да се определи потокът на нейната звезда-майка (който може да се измери), разстоянието между планетата и звездата и „албедото“ на планетата. Албедото е стойност, която отчита частта от звездната светлина, отразена от планетата.

Планета с албедо от 1 (единица) идеално отразява цялата падаща върху нея светлина, докато планета с албедо от 0 (нула) поглъща цялото падащо върху нея излъчване.

След това астрономите определят температурата на планетата, като използват стойността на албедото на планетата и общия поток от звездата домакин.

Този метод за изчисляване на температурата на планетата е прост и доста груб, тъй като не отчита вътрешните физични процеси и механизми в атмосферата на планетата, като например преразпределението на топлината. Той не отчита и факта, че близките и далечните страни на планетата спрямо звездата ще имат различни температури.

Можем обаче да разработим модели, които отчитат ефекта от преразпределението на топлината от атмосферата около планетата. Тези модели могат да отчитат и ефекта на приливното блокиране, при което едната страна на планетата винаги е обърната към звездата, и дори цвета на повърхността на планетата (колкото по-тъмна е тя, толкова повече космическо лъчение се поглъща).

Измерване на планетарната температура с помощта на MIRI

На борда на JWST има няколко камери и спектрометри. Инструментът MIRI (Mid-Infrared Instrument), който се състои от камера и спектрограф, измерва температурата на дневната страна на планетата TRAPPIST-1b.

Фотометричните наблюдения на TRAPPIST-1 b бяха извършени от MIRI точно когато започна вторичното й затъмнение. Вторично затъмнение е моментът, в който екзопланетата започва да изостава от своята звезда-домакин, както се вижда от наблюдател като JWST. Наблюденията на JWST са направени с помощта на филтъра F1500W на телескопа MIRI. Този филтър открива инфрачервено излъчване с определена дължина на вълната, подобно на това, което учените очакват да видят от екзопланетите.

Тъй като TRAPPIST-1 b е планета, тя не излъчва собствена светлина. Въпреки това тя свети, когато се наблюдава в инфрачервената област. Следователно MIRI е идеален инструмент за наблюдение на екзопланети. Като открием някоя от тях в инфрачервения спектър, можем да определим нейния светлинен поток или яркостта ѝ.

MIRI, използвайки филтъра F1500W, наблюдава TRAPPIST-1 b през пет различни периода на вторичните наблюдения. Данните от наблюденията се състоят от измервания на яркостта на планетата в инфрачервения диапазон. След това учените ги редуцират и оптимизират с помощта на компютърни програми и изготвят „светлинната крива“ на екзопланетата.

Кривата на светлината показва как инфрачервеният поток намалява след началото на вторичното затъмнение. Преди началото на затъмнението JWST записва яркостта на звездата TRAPPIST-1 и нейната екзопланета TRAPPIST-1 b. Когато обаче планетата започва да се движи зад своята звезда, тя изчезва от зрителното поле на телескопа. Това се изразява в леко намаляване на яркостта, наблюдавана от JWST. Това намаление на яркостта се проявява като малък спад в светлинната крива.

За да получат температурата на планетата, астрономите първо измерват това намаление на яркостта, наричано още дълбочина на затъмнението, от кривата на светлината на екзопланетата. Стойността на тази дълбочина се използва за определяне на дневния поток на планетата. След това астрономите използват закона за радиацията на Планк, за да определят температурата.

С помощта на този метод дневната температура на екзопланетата TRAPPIST-1 b е оценена на около 503 К или около 300 °C.

Температурата и атмосферата на TRAPPIST-1 b

Същевременно компютърните модели показват, че ако TRAPPIST-1 b нямаше атмосфера с подходящо разпределение на топлината, температурата му щеше да е малко над 500 К. Ако обаче TRAPPIST-1 b имаше атмосфера с равномерно разпределение на топлината, дневната му температура щеше да е близо 400 К.

От сравнението на тези модели става ясно, че TRAPPIST-1 b най-вероятно е скалиста планета без атмосфера. Ако тя имаше атмосфера, топлината щеше да се разпределя равномерно по нея, което щеше да понижи дневната ѝ температура.

Това постижение на JWST е само началото. Способността му да открива вторично затъмнение сама по себе си е огромно постижение. Чрез измерване на температурата на планетата можем да разберем дали тя има атмосфера, което е важна стъпка в определянето на това дали на нея може да съществува живот.

Когато бъдат направени повече подобни наблюдения на други планети, ще научим повече за шансовете за развитие на живот на тях. Изясняването на въпроса за произхода на живота също е една от целите на JWST. Учените се надяват, че това ново поколение наблюдения може да предостави повече информация за свойствата на атмосферите на другите екзопланети в космоса.