kozmos.hr
Svemir

Svemirski teleskop James Webb donosi revoluciju u mapiranju atmosfera egzoplaneta

objavljeno

S zrcalom od 6,5 metara – u usporedbi s Hubbleovim zrcalom od 2,4 metra – James Webb teleskop pružit će neviđeno precizna i ključna opažanja za proučavanje atmosfere egzoplaneta.

Otkrivanje površina egzoplaneta

Golim okom planeti u Sunčevom sustavu izgledaju kao svijetle točke. Međutim, pomoću teleskopa te se točkice izdvajaju od zvijezda i otkrivaju strukture kao što su Jupiterova velika crvena pjega, Saturnovi prstenovi ili ledene kape Marsa.

Iako je prisutnost takvih pojava očekivana na egzoplanetima, njihova udaljenost od Zemlje onemogućuje nam da izravno razriješimo njihove površine. Ipak, postoje načini da saznate više o strukturi njihove atmosfere i mapirate ih, a očekuje se da će NASA-in teleskop, lansiran 25. prosinca 2021. godine, revolucionirati polje egzoplanetarne znanosti.

Detekcija i karakterizacija egzoplaneta

Osim nekoliko posebnih slučajeva u kojima se svjetlost s planeta može promatrati izravno, većina egzoplaneta se otkriva neizravnim metodama. Neizravna metoda sastoji se od promatranja učinka prisutnosti planeta na svjetlost koju emitira njegova zvijezda.

Tranzitna metoda dovela je do najvećeg broja detekcija egzoplaneta. Tranzit se događa kada, iz naše perspektive, egzoplanet prođe ispred svoje zvijezde domaćina. Tijekom tranzita, svjetlost zvijezde se smanjuje jer je površina zvijezde djelomično zaklonjena planetom.

Svjetlost je podijeljena na spektar valnih duljina koje odgovaraju različitim bojama. Kada se promatra tranzit na nekoliko valnih duljina, moguće je izmjeriti sastav atmosfere egzoplaneta. Na primjer, molekule vode snažno apsorbiraju svjetlost u infracrvenim valnim duljinama, čineći planet većim, budući da njegova atmosfera blokira veći dio svjetlosti svoje zvijezde. Na sličan način moguće je izmjeriti i temperaturu atmosfere te otkriti prisutnost oblaka.

Osim toga, tranzitni planet također može proći iza svoje zvijezde. Ova pojava, u kojoj se promatra samo svjetlost zvijezde, naziva se sekundarna pomrčina. Promatrajući to, moguće je izolirati svjetlost koja dolazi samo s planeta i tako dobiti dodatne informacije o njegovoj atmosferi.

Tranzitna metoda je osjetljivija na prisutnost oblaka, dok metoda sekundarne pomrčine daje više informacija o temperaturi atmosfere.

Atmosfera egzoplaneta

Općenito, atmosfera egzoplaneta se tijekom analize prečesto smatra jednodimenzionalnim. Odnosno, smatra se da njegov sastav i temperatura variraju samo s visinom, a ne s položajem u zemljopisnoj dužini i širini. Istovremeno uzimanje u obzir ovih triju dimenzija zahtijevalo bi složene modele kao i visok stupanj točnosti promatranja. Međutim, samo uzimanje u obzir nadmorske visine može proizvesti aproksimacije koje nisu valjane. Na Zemlji je, primjerice, temperatura na ekvatoru mnogo viša nego na polovima.

Neki egzoplaneti također imaju jake prostorne varijacije u svojim atmosferama. Vrući Jupiteri – planeti veličine sličnih Jupiteru – kruže vrlo blizu svoje zvijezde domaćina i tako mogu doseći temperaturu od nekoliko tisuća stupnjeva Celzija.

Osim toga, ovi planeti se općenito okreću oko sebe istom brzinom kao i oko svoje zvijezde. To znači da su na tim planetima dan i godina iste duljine. Na isti način na koji sa Zemlje možemo vidjeti samo jednu stranu Mjeseca, samo jedna strana vrućeg Jupitera stalno je okrenuta prema svojoj zvijezdi. Ovaj fenomen može dovesti do velike temperaturne razlike između dnevne strane, koja je osvijetljena zvijezdom, i noćne strane, koja je stalno u tami.

Metode mapiranja

Iako je nemoguće izravno promatrati površinu egzoplaneta, moguće je izmjeriti prostornu varijaciju atmosfere pomoću dvije metode: analize fazne krivulje i sekundarnog mapiranja pomrčine.

Fazna krivulja je varijacija svjetlosti iz sustava zvijezda-planet tijekom razdoblja obrtaja. Budući da planet rotira oko sebe tijekom svoje orbite, sukcesivno su nam vidljivi različiti dijelovi njegove atmosfere. Iz ovog signala moguće je mapirati intenzitet svjetlosti koju planet emitira u geografskoj dužini. U slučaju vrućih Jupitera, čija je dnevna strana općenito toplija, maksimum svjetla s planeta je blizu sekundarne pomrčine. Slično, minimum krivulje je blizu tranzita, budući da se tada promatra noćna strana.

U sekundarnom mapiranju pomrčine, dnevna strana egzoplaneta je razriješena. Kako se planet kreće unutra i izlazi iza svoje zvijezde s naše točke gledišta, njegovi dijelovi su skriveni, što nam omogućuje da izoliramo svjetlost koju emitira određeni dio njegove atmosfere. Mjerenjem količine svjetlosti koju emitira svaki pojedini dio, tada je moguće mapirati dnevnu stranu atmosfere u odnosu na zemljopisnu dužinu i širinu.

Dolazak svemirskog teleskopa James Webb

Do danas je analiza fazne krivulje primijenjena na nekoliko planeta zahvaljujući svemirskim teleskopima kao što su Hubble, Kepler i TESS. Sekundarna mapa pomrčine primijenjena je samo na jedan egzoplanet, Hot Jupiter HD189733 b, iz promatranja svemirskim teleskopom Spitzer. Međutim, ova se opažanja obično vrše na jednoj valnoj duljini i ne daju potpunu sliku atmosferskih procesa koji djeluju na tim egzoplanetima.

Sa zrcalom od 6,5 metara – u usporedbi s Hubbleovim zrcalom od 2,4 metra – Webb teleskop pružit će neviđeno precizna opažanja u širokom rasponu valnih duljina. Četiri instrumenta, uključujući kanadski NIRISS (Near-infrared Imager i Slitless Spectrograph), promatrat će u infracrvenom rasponu i karakterizirati atmosferu mnoštva egzoplaneta.

S Webb teleskopom bit će moguće primijeniti metode mapiranja koje su nam dostupne za mjerenje trodimenzionalnih varijacija atmosfere egzoplaneta. Ova mjerenja će nam omogućiti da produbimo naše znanje o atmosferskim procesima.

Kako tehnologija i instrumenti nastavljaju napredovati, možda će – u budućnosti – biti moguće čak i mapirati egzoplanet sličan Zemlji.

Top 10 stvari koje biste trebali znati o James Webb svemirskom teleskopu

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Louis-Philippe Coulombe (7. siječnja 2022.), „The James Webb Space Telescope will map the atmosphere of exoplanets,“ phys.org (pristup 12. siječnja 2022.)

Ja sam Filip Šimunjak, student sam završne godine studija ranonovovjekovnog povijesti na Filozofskom fakultetu u Zagrebu. U slobodno vrijeme volim čitati i pisati. Svemir, astronomija i astrofizika fasciniraju me od mladosti.