Слева: это изображение звезды HR 8799, полученное камерой Хаббла в ближнем инфракрасном диапазоне и многообъектным спектрометром (NICMOS) в 1998 году. Маска внутри камеры (коронограф) блокирует большую часть света от звезды. Астрономы также использовали программное обеспечение для цифрового вычитания большего количества звездного света. Тем не менее, рассеянный свет от HR 8799 преобладает на изображении, скрывая четыре тусклые планеты, обнаруженные позже при наземных наблюдениях. Справа: повторный анализ данных NICMOS в 2011 году выявил три экзопланеты, которых не было на снимках 1998 года. Уэбб будет исследовать атмосферы планет в инфракрасном диапазоне, который астрономы редко используют для изображения далеких миров. Авторы и права: НАСА, ЕКА и Р. Саммер (STScI).
Уэбб НАСА будет изучать молодые экзопланеты на краю
Уэбб будет исследовать внешнее царство экзопланетных систем, исследуя известные планеты и охотясь за новыми мирами.
Хотя вокруг других звезд было обнаружено более 4,000 планет, они не представляют всего разнообразия возможных инопланетных миров. Большинство экзопланет, обнаруженных до сих пор, являются так называемыми «звездными объятиями»: они вращаются так близко к своим звездам-хозяевам, что совершают полный оборот за дни или недели. Их легче всего найти с помощью современных методов обнаружения.
Но есть обширный, в основном неизведанный ландшафт для поиска экзопланет на более далеких орбитах. Астрономы только начали исследовать эту границу. Планеты находятся достаточно далеко от своих звезд, чтобы телескопы, оснащенные масками, блокирующими ослепляющий свет звезды, могли видеть планеты напрямую. Планеты, которые легче всего обнаружить, — это горячие недавно сформированные миры. Они достаточно молоды, чтобы светиться в инфракрасном свете благодаря теплу своего образования.
Это внешнее царство экзопланетных систем — идеальное место для охоты на НАСАпредстоящий космического телескопа Джеймса Вебба. Уэбб будет исследовать атмосферы близлежащих известных экзопланет, таких как HR 8799 и 51 Эридана b, в инфракрасном диапазоне. Уэбб также будет охотиться за другими далекими мирами — возможно, вплоть до Сатурн- размер - на окраинах планетарных систем, которые не могут быть обнаружены наземными телескопами.
На этой схеме показано положение четырех экзопланет, вращающихся далеко от ближайшей звезды HR 8799. Орбиты кажутся вытянутыми из-за небольшого наклона плоскости орбит относительно нашего луча зрения. Размер планетной системы HR 8799 сравним с нашей Солнечной системой, на что указывает орбита Нептуна, показанная в масштабе. Авторы и права: НАСА, ЕКА и Р. Саммер (STScI).
До того, как в 1990-х годах были впервые обнаружены планеты вокруг других звезд, эти отдаленные экзотические миры жили только в воображении писателей-фантастов.
Но даже их творческие умы не могли вообразить то разнообразие миров, которое открыли астрономы. Многие из этих миров, называемых экзопланеты, сильно отличаются от семейства планет нашей Солнечной системы. Они варьируются от обнимающих звезды «горячих юпитеров» до огромных скалистых планет, получивших название «суперземли». Наша вселенная, по-видимому, более странная, чем вымысел.
Увидеть эти далекие миры непросто, потому что они теряются в сиянии своих звезд-хозяев. Пытаться обнаружить их — все равно, что пытаться увидеть светлячка, парящего рядом с ярким светом маяка.
Вот почему астрономы идентифицировали большинство из более чем 4,000 экзопланет, обнаруженных до сих пор, используя косвенные методы, такие как легкое колебание звезды или ее неожиданное затемнение, когда планета проходит перед ней, блокируя часть звездного света.
Однако эти методы лучше всего работают для планет, вращающихся близко к своим звездам, где астрономы могут обнаруживать изменения в течение недель или даже дней, когда планета завершает свою орбиту. Но обнаружение только планет, скользящих по звездам, не дает астрономам полной картины всех возможных миров в звездных системах.
Это открытое изображение внесолнечной планеты размером с Юпитер, вращающейся вокруг ближайшей звезды 51 Эридана, было получено в ближнем инфракрасном диапазоне в 2014 году аппаратом Gemini Planet Imager. Яркая центральная звезда скрыта за маской в центре изображения, чтобы можно было обнаружить экзопланету, которая в 1 миллион раз слабее, чем 51 Эридана. Экзопланета находится на окраине планетной системы в 11 миллиардах миль от своей звезды. Уэбб будет исследовать атмосферу планеты в инфракрасном диапазоне, который астрономы редко используют для изображения далеких миров. Авторы и права: Международная обсерватория Близнецов/NOIRLab/NSF/AURA, Ж. Рамо (Монреальский университет) и К. Маруа (Национальный исследовательский совет Канады, Герцберг)
Другой метод, который исследователи используют при поиске экзопланет, то есть планет, вращающихся вокруг других звезд, заключается в том, что они фокусируются на планетах, которые находятся дальше от ослепляющего блеска звезды. Ученые, используя специальные методы визуализации, которые блокируют блики от звезды, обнаружили молодые экзопланеты, которые настолько горячие, что светятся в инфракрасном свете. Таким образом, некоторые экзопланеты можно непосредственно увидеть и изучить.
Будущий космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА поможет астрономам глубже исследовать этот новый смелый рубеж. Уэбб, как и некоторые наземные телескопы, оснащен специальными оптическими системами, называемыми коронографами, в которых используются маски, предназначенные для блокировки как можно большего количества звездного света для изучения тусклых экзопланет и открытия новых миров.
Две цели в начале миссии Уэбба — это планетарные системы 51 Эридана и HR 8799. Из нескольких десятков планет, полученных прямым изображением, астрономы планируют использовать Уэбба для подробного анализа систем, которые находятся ближе всего к Земле и имеют планеты, максимально удаленные от своих планет. звезды. Это означает, что они появляются достаточно далеко от бликов звезды, чтобы их можно было наблюдать напрямую. Система HR 8799 находится на расстоянии 133 световых года и 51 Эридана на расстоянии 96 световых лет от Земли.
Планетарные цели Уэбба
Две программы наблюдений в начале миссии Уэбба объединяют спектроскопические возможности спектрографа ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) и изображения камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) для изучения четырех планет-гигантов в системе HR 8799. В третьей программе исследователи будут использовать NIRCam для анализа планеты-гиганта в 51 Эридане.
Четыре планеты-гиганта в системе HR 8799 имеют размер примерно 10 Юпитер массы. Они вращаются на расстоянии более 14 миллиардов миль от звезды, которая немного массивнее Солнца. Гигантская планета в 51 Эридане имеет массу в два раза больше Юпитера и вращается на расстоянии около 11 миллиардов миль от звезды, подобной Солнцу. Обе планетные системы имеют орбиты, ориентированные лицом к Земле. Эта ориентация дает астрономам уникальную возможность получить вид сверху на системы с высоты птичьего полета, как если бы они смотрели на концентрические кольца на мишени для стрельбы из лука.
Многие экзопланеты, находящиеся на внешних орбитах своих звезд, сильно отличаются от планет нашей Солнечной системы. Большинство экзопланет, обнаруженных в этом внешнем регионе, в том числе в HR 8799, имеют массу от 5 до 10 масс Юпитера, что делает их самыми массивными планетами, когда-либо обнаруженными на сегодняшний день.
Эти внешние экзопланеты относительно молоды, от десятков миллионов до сотен миллионов лет — намного моложе, чем 4.5 миллиарда лет нашей Солнечной системы. Так что они все еще светятся от тепла своего образования. Изображения этих экзопланет, по сути, являются детскими картинками, на которых видны планеты в молодости.
На этом видео показаны четыре экзопланеты размером с Юпитер, вращающиеся на расстоянии миллиардов миль от своей звезды в соседней системе HR 8799. Планетарная система ориентирована лицом к Земле, что дает астрономам уникальную возможность увидеть движение планет с высоты птичьего полета. Экзопланеты вращаются так далеко от своей звезды, что им требуется от десятилетий до столетий, чтобы завершить оборот по орбите. Видео состоит из семи изображений системы, сделанных за семилетний период обсерваторией WM Keck на Мауна-Кеа, Гавайи. Коронограф Кека блокирует большую часть звездного света, поэтому можно увидеть гораздо более слабые и меньшие экзопланеты. Авторы и права: Джейсон Ван (Калифорнийский технологический институт) и Кристиан Маруа (NRC Herzberg)
Уэбб будет исследовать средний инфракрасный диапазон, диапазон длин волн, который астрономы редко использовали раньше для изображения далеких миров. Это инфракрасное «окно» трудно наблюдать с земли из-за теплового излучения и поглощения земной атмосферой.
«Сильная сторона Уэбба — беспрепятственный свет, проходящий через космос в среднем инфракрасном диапазоне», — сказал Клаус Ходапп из Гавайского университета в Хило, ведущий исследователь наблюдений системы HR 8799 с помощью NIRSpec. «С земной атмосферой довольно сложно работать. Основные поглощающие молекулы в нашей собственной атмосфере не позволяют нам увидеть интересные особенности планет».
Средний инфракрасный диапазон — это «область, в которой Уэбб действительно внесет плодотворный вклад в понимание того, что представляют собой конкретные молекулы, каковы свойства атмосферы, которые мы надеемся обнаружить и которые мы на самом деле не можем получить только из более короткого, ближнего инфракрасного диапазона». длин волн», — сказал Чарльз Бейхман из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, ведущий исследователь наблюдений системы HR 8799 с помощью NIRCam и MIRI. «Мы будем опираться на то, что сделали наземные обсерватории, но цель состоит в том, чтобы расширить это таким образом, который был бы невозможен без Уэбба».
Как формируются планеты?
Одна из основных целей исследователей в обеих системах — использовать Уэбба, чтобы определить, как сформировались экзопланеты. Были ли они созданы в результате скопления материала в диске, окружающем звезду, обогащенного тяжелыми элементами, такими как углерод, как, вероятно, и Юпитер? Или они образовались в результате коллапса водородного облака, как звезды, и стали меньше под неумолимым притяжением?
Атмосферный состав может дать ключ к разгадке рождения планеты. «Одна из вещей, которую мы хотели бы понять, — это соотношение элементов, которые вошли в формирование этих планет», — сказал Бейхман. «В частности, соотношение углерода и кислорода говорит вам довольно много о том, откуда берется газ, сформировавший планету. Произошел ли он из диска, на котором аккрецировалось много более тяжелых элементов, или из межзвездной среды? Так что то, что мы называем отношением углерода к кислороду, весьма показательно для механизмов образования».
На этом видео показан объект размером с Юпитер. экзопланету вращается далеко — примерно в 11 миллиардах миль — от ближайшей солнцеподобной звезды 51 Эридана. Планетарная система ориентирована лицом к Земле, что дает астрономам уникальную возможность увидеть движение планеты с высоты птичьего полета. Видео состоит из пяти изображений, сделанных в течение четырех лет с помощью камеры Gemini Planet Imager Южного телескопа Джемини в Чили. Коронограф Близнецов блокирует большую часть звездного света, поэтому можно увидеть гораздо более тусклую и меньшую экзопланету. Авторы и права: Джейсон Ван (Калифорнийский технологический институт)/Gemini Planet Imager Exoplanet Survey
Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи будут использовать Webb для более глубокого изучения атмосфер экзопланет. NIRCam, например, будет измерять атмосферные отпечатки таких элементов, как метан. Он также рассмотрит особенности облаков и температуру этих планет. «У нас уже есть много информации на этих длинах волн ближнего инфракрасного диапазона от наземных средств», — сказал Маршалл Перрин из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд, ведущий исследователь наблюдений NIRCam за 51 Eridani b. «Но данные от Уэбба будут намного точнее, гораздо более чувствительными. У нас будет более полный набор длин волн, включая заполнение пробелов, где вы не можете получить эти длины волн с земли».
Астрономы также будут использовать Webb и его превосходную чувствительность для поиска менее массивных планет вдали от своей звезды. «Из наземных наблюдений мы знаем, что эти массивные планеты относительно редки», — сказал Перрин. «Но мы также знаем, что для внутренних частей систем планеты с меньшей массой встречаются значительно чаще, чем планеты с большей массой. Так что вопрос в том, верно ли это и для этих дальнейших разделений?» Бейхман добавил: «Работа Уэбба в холодных условиях космоса позволяет по области применения для более тусклых, меньших планет, которые невозможно обнаружить с земли».
Другая цель — понять, как были созданы мириады планетных систем, обнаруженных до сих пор.
«Я думаю, что мы обнаруживаем огромное разнообразие солнечных систем», — сказал Перрин. «У вас есть системы, в которых есть эти горячие планеты Юпитера на очень близких орбитах. У вас есть системы, которых у вас нет. У вас есть системы, в которых у вас есть планета массой в 10 юпитеров, и такие, в которых у вас нет ничего массивнее нескольких Земель. В конечном счете, мы хотим понять, как разнообразие формирования планетной системы зависит от окружения звезды, массы звезды и многих других вещей, и, в конечном счете, с помощью этих исследований на уровне населения мы надеемся поместить нашу собственную солнечную систему в контекст. ».
Спектроскопические наблюдения NIRSpec HR 8799 и наблюдения NIRCam 51 Эридана являются частью программ гарантированного времени наблюдений, которые будут проводиться вскоре после запуска Уэбба в конце этого года. Наблюдения NIRCam и MIRI за HR 8799 являются результатом сотрудничества двух групп инструментов, а также частью программы гарантированного времени наблюдения.
Космический телескоп Джеймса Уэбба станет главной в мире обсерваторией космической науки, когда он будет запущен в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки нашей Солнечной системы, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места. в этом. Webb - это международная программа, которую возглавляет НАСА вместе со своими партнерами, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадское космическое агентство.
