Astronomowie analizują promieniowanie cieplne skalistej super-Ziemi. Dane z teleskopu Webba wykluczają obecność wody oraz ziemskiej tektoniki płyt na tym odległym świecie.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) otwiera zupełnie nowy rozdział w badaniu odległych światów krążących wokół innych słońc. Astronomowie nie ograniczają się już tylko do poszukiwania gazów w grubych otoczkach planetarnych, lecz rozpoczynają bezpośrednie analizowanie składu chemicznego ich stałych skorup.

Zespół naukowców pod kierownictwem Laury Kreidberg z Instytutu Maxa Plancka dla Astronomii (MPIA) wybrał za główny cel swoich badań planetę LHS 3844 b. Wcześniejsze pomiary sugerowały całkowity brak atmosfery wokół tego globu. Brak gazowej powłoki sprawia, że światło pochodzące z gwiazdy dociera bezpośrednio do powierzchni, a następnie wraca w przestrzeń kosmiczną jako promieniowanie cieplne.

„Dzięki niezwykłej czułości JWST możemy wykrywać światło pochodzące bezpośrednio z powierzchni tej odległej skalistej planety. Widzimy ciemną, gorącą, jałową skałę, pozbawioną jakiejkolwiek atmosfery”.

– Laura Kreidberg z MPIA podkreśla wagę tego przełomu.

Jak MIRI widzi powierzchnię?

Planeta LHS 3844 b to przykład obiektu typu super-Ziemia, jej promień przewyższa ziemski o około 30%. Glob ten krąży wokół chłodnego czerwonego karła w ekstremalnie małej odległości, wykonując pełny obieg w zaledwie 11 godzin. Tak ciasna orbita doprowadziła do zablokowania planety – jedna jej strona zawsze zwraca się ku gwieździe macierzystej.

Nieustanne bombardowanie promieniowaniem rozgrzewa dzienną półkulę do temperatury około 725 stopni Celsjusza (1000 Kelwinów). Rozgrzane do czerwoności skały emitują energię w zakresie średniej podczerwieni, którą instrument MIRI na pokładzie teleskopu Webba potrafi precyzyjnie zarejestrować mimo dystansu 48,5 roku świetlnego.

Naukowcy nie obserwują samej tarczy planety w sposób bezpośredni, ponieważ oślepiający blask gwiazdy całkowicie ją przesłania. Zamiast tego badacze stosują metodę pomiaru jasności układu podczas wtórnego zaćmienia, czyli momentu, gdy planeta chowa się za tarczą gwiazdy. Najpierw teleskop mierzy wspólną energię gwiazdy i planety, a po ukryciu się globu rejestruje wyłącznie sygnał gwiazdy. Różnica między tymi dwoma pomiarami pozwala wyodrębnić promieniowanie pochodzące wyłącznie od gorącej powierzchni planety. Instrument MIRI rozkłada to promieniowanie na widmo, które służy naukowcom jako „geologiczny odcisk palca” zdradzający skład mineralny gruntu egzoplanety.

Geologia bez wody: Dlaczego widmo wyklucza granit?

Nauka o egzoplanetach, aby zrozumieć procesy zachodzące na odległych światach, czerpie wiedzę z ziemskiej geologii. Laura Kreidberg wyjaśnia, że różne rodzaje skał posiadają unikalne podpisy widmowe w podczerwieni, podobnie jak ludzkie oko odróżnia jasny granit od ciemnego bazaltu. Zespół badawczy porównał uzyskane widmo LHS 3844 b z rozbudowanymi bibliotekami próbek skalnych pochodzących z Ziemi, Księżyca oraz Marsa. Analiza statystyczna pozwoliła naukowcom z całkowitą pewnością wykluczyć skład skorupy typowy dla ziemskich kontynentów, który obfituje w krzemiany, takie jak granit.

News / Technologie

Kosmos: Człowiek daleko nie doleci, wyślemy tam roboty

Ten negatywny wynik niesie ze sobą fundamentalne konsekwencje dla zrozumienia historii tego systemu planetarnego. Na Ziemi krzemianowa skorupa powstaje w wyniku wielokrotnego przetapiania i oczyszczania materii skalnej wewnątrz planety. Proces ten wymaga obecności tektoniki płyt oraz wody, która służy jako smar umożliwiający ruchy skorupy względem płaszcza. Sebastian Zieba z Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian zauważa, że brak krzemianowej skorupy na LHS 3844 b sugeruje brak aktywnej tektoniki płyt typu ziemskiego:

„Ta planeta prawdopodobnie zawiera bardzo mało wody”.

Bez wody procesy geologiczne nie mogą wytworzyć lekkich minerałów, które na Ziemi tworzą podstawę lądów.

Ciemna skorupa: Piszemy historię bazaltowego świata

Zamiast jasnych skał granitowych, dane z instrumentu MIRI wskazują na bardzo ciemną powierzchnię, która przypomina ziemski lub księżycowy bazalt. Bazalt powstaje z lawy bogatej w magnez i żelazo, która po szybkim zastygnięciu na powierzchni tworzy twardą, ciemną skorupę. Statystyczna analiza widma potwierdza, że rozległe obszary takich skał najlepiej pasują do pomiarów wykonanych przez Teleskop Jamesa Webba. Modele dopuszczają także obecność oliwinu, czyli minerału typowego dla głębszych warstw płaszcza planetarnego, który na powierzchnię wydostaje się podczas potężnych erupcji wulkanicznych.

Naukowcy musieli jednak uwzględnić w swoich obliczeniach fakt, że planeta nie posiada atmosfery ochronnej. W związku z tym jej powierzchnia podlega nieustannemu i niszczycielskiemu procesowi kosmicznego wietrzenia. Silne, wysokoenergetyczne promieniowanie gwiazdy oraz nieustanne uderzenia mikrometeorytów powoli kruszą twardą skałę bazaltową, zamieniając ją w regolit, czyli warstwę drobnego pyłu podobną do tej, którą znamy z Księżyca. Sebastian Zieba tłumaczy, że te procesy nie tylko niszczą strukturę mechaniczną skał, ale również chemicznie zmieniają wierzchnią warstwę gruntu.

„Powodują one również przyciemnienie tej warstwy poprzez dodawanie żelaza i węgla, co sprawia, że właściwości regolitu stają się bardziej zgodne z obserwacjami”.

Dwa możliwe scenariusze dla powierzchni planety

Dostępne dane doprowadziły astronomów do sformułowania dwóch równorzędnych hipotez dotyczących aktualnego stanu skorupy planety. Pierwszy scenariusz zakłada, że powierzchnię pokrywa głównie lita, ciemna skała bazaltowa. Ponieważ procesy kosmicznego wietrzenia relatywnie szybko zmieniają właściwości optyczne takich skał, ich obecność w stanie litym wymagałaby ciągłego odnawiania powierzchni. To z kolei oznaczałoby, że na LHS 3844 b wciąż zachodzi intensywna aktywność wulkaniczna, która zalewa stare skały świeżą lawą.

Drugi scenariusz opisuje powierzchnię znacznie bardziej stabilną, podobną do krajobrazu na Merkurym lub Księżycu. W tym wariancie planeta pozostaje geologicznie martwa od miliardów lat. Całkowity brak wulkanów pozwolił procesom zewnętrznym na stworzenie grubej warstwy ciemnego, zwietrzałego regolitu. Powierzchnia ta powoli ciemnieje pod wpływem wiatru gwiezdnego, nie otrzymując żadnej nowej materii z wnętrza globu.

Próba rozstrzygnięcia zagadki: Poszukiwania wulkanów

Naukowcy podjęli próbę rozstrzygnięcia tego sporu, szukając gazów, które zazwyczaj towarzyszą aktywnej działalności wulkanicznej. Dwutlenek siarki (SO₂) jest powszechnym produktem ubocznym erupcji, który instrument MIRI mógłby wykryć nawet w śladowych ilościach w bezpośrednim sąsiedztwie planety. Jednak najnowsze pomiary nie wykazały żadnej mierzalnej obecności tego gazu wokół LHS 3844 b. Ten brak dowodów na wulkanizm sprawia, że astronomowie skłaniają się obecnie ku drugiej teorii. Widzą w niej świat stary, zwietrzały i geologicznie spokojny, przypominający martwe pustynie Merkurego.

Obecnie naukowcy analizują kolejne serie danych z teleskopu Webba, aby ostatecznie potwierdzić te wnioski. Badacze wykorzystają fakt, że lita skała i drobny pył odbijają oraz emitują światło pod nieco innymi kątami. Precyzyjna analiza chropowatości powierzchni pozwoli astronomom ustalić, czy mają do czynienia z twardym bazalcie, czy pyłem podobnym do księżycowego. Sukces tej innowacyjnej techniki umożliwi w przyszłości badanie geologii egzoplanet w całej naszej Galaktyce.

Jak działa James Webb i instrument MIRI

Rakieta Ariane 5 wyniosła James Webb Space Telescope w kosmos 25 grudnia 2021 roku. NASA kieruje misją, a European Space Agency i Canadian Space Agency dostarczyły kluczowe elementy sprzętu i systemów. Teleskop orbituje w punkcie L2, około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi.

James Webb Space Telescope obserwuje głównie w podczerwieni, obejmując zakres od około 0,6 do 28 mikrometrów, co pozwala mierzyć promieniowanie cieplne obiektów zamiast światła odbitego. Instrument MIRI analizuje średnią podczerwień (5–28 µm), dzięki czemu rejestruje emisję rozgrzanych skał i umożliwia określenie składu powierzchni egzoplanet takich jak LHS 3844 b. Rozgrzane powierzchnie planet, takie jak na LHS 3844 b, emitują energię głównie w tym zakresie. Wielowarstwowa osłona utrzymuje instrumenty w temperaturze poniżej 50 kelwinów, co ogranicza zakłócenia i pozwala wykrywać bardzo słabe sygnały.

Teleskop zbiera promieniowanie za pomocą 6,5-metrowego lustra złożonego z 18 segmentów pokrytych złotem, a następnie kieruje je do instrumentów naukowych. Tam promieniowanie zostaje rozłożone na poszczególne długości fal. Taki rozkład nazywa się widmem i pozwala określić, ile energii obiekt emituje w różnych zakresach podczerwieni.

Technologie

Starlink Direct-to-Cell: SpaceX opatentowało metodę komunikacji smartfonów z satelitami

Za analizę powierzchni egzoplanety odpowiada MIRI. Instrument mierzy widmo emisji cieplnej i porównuje je z widmami znanych materiałów. Różne skały emitują promieniowanie w różny sposób, dlatego dopasowanie widma pozwala określić skład powierzchni bez fizycznego kontaktu z planetą.

Astronomowie oddzielają sygnał planety od światła gwiazdy dzięki wtórnemu zaćmieniu. Gdy planeta znika za gwiazdą, jej wkład w sygnał znika. Różnica między pomiarem przed i w trakcie zaćmienia odpowiada emisji planety. W przypadku LHS 3844 b ta metoda pozwala określić, że powierzchnia emituje promieniowanie charakterystyczne dla ciemnych skał wulkanicznych, takich jak bazalt.

Znaczenie LHS 3844 b dla przyszłości astronomii

Badania egzoplanet przeszły długą drogę od pierwszego odkrycia 51 Pegasi b w 1995 roku. Misje takie jak Kepler czy TESS dostarczyły nam danych statystycznych o tysiącach światów, ale dopiero Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwala nam na przejście od liczenia planet do ich rzeczywistej charakteryzacji geologicznej. LHS 3844 b posiada najwyższy spodziewany stosunek sygnału do szumu spośród wszystkich znanych planet skalistych, dlatego jest idealnym laboratorium dla nowej dziedziny nauki.

Choć planeta ta nie jest „drugą Ziemią” i nie oferuje warunków do życia, jej badanie pozwala nam zrozumieć, jak ewoluują skaliste globy krążące wokół czerwonych karłów. Astronomowie dowiadują się, jak brak atmosfery i ekstremalne promieniowanie kształtują oblicze planet w najbardziej powszechnych systemach gwiezdnych we Wszechświecie.

Źródła: Max Planck Institute for Astronomy, NASA, European Space Agency, Canadian Space Agency, Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian, Nature Astronomy, The Astrophysical Journal Letters

Rafał Bernasiński