Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a prowadzili poszukiwania pary wodnej w atmosferach trzech planet krążących wokół gwiazd podobnych do Słońca – i znaleźli prawie suche globy. Trzy planety, HD 189733b, HD 209458b i WASP-12b, leżą w odległościach pomiędzy 60 i 90 lat świetlnych od nas.
Te ogromne gazowe światy są gorące, mają temperatury od około 1100 do 2500 stopni Celsjusza i są idealnymi kandydatami na wykrycie pary wodnej w swoich atmosferach. Jednak, ku zaskoczeniu naukowców, badane planety mają około 1/10 do 1/1000 ilości wody, jaką przewidują standardowe teorie dotyczące formowania się planet.
„Nasze pomiary wody na jednej z planet, HD 209458b, są najprecyzyjniejszymi pomiarami związku chemicznego na planecie poza Układem Słonecznym, i możemy teraz powiedzieć, ze znacznie większą pewnością, niż kiedykolwiek wcześniej, że znaleźliśmy wodę na egzoplanetach. Jednak odkryliśmy zbyt niską ilości wody, co było zaskakujące” – mówi dr Nikku Madhusudhan z Instytutu Astronomii Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii, który kieruje badaniami. Madhusudhan powiedział, że odkrycie jest ogromnym wyzwaniem dla teorii egzoplanet. „Spodziewaliśmy się, że wszystkie te planety mają dużo wody. Musimy ponownie zrewidować modele formowania się i migracji planet olbrzymów, szczególnie „gorących Jowiszów” i zbadać, jak one powstają”.
Astronom podkreśla, że wyniki, choć uzyskane dla dużych gorących planet krążących blisko swoich gwiazd macierzystych, mogą mieć także poważne konsekwencje dla poszukiwania wody w potencjalnej strefie życia egzoplanet rozmiarów Ziemi. Instrumenty przyszłych teleskopów kosmicznych muszą być koniecznie zaprojektowane z większą czułością, jeśli docelowe planety są bardziej suche, niż się spodziewano. „Powinniśmy być przygotowani na dużo mniejszą obfitość wody, niż przewidywaliśmy szukając super-Ziemi (skalistej planety, kilka razy masywniejszej, niż Ziemia)” – powiedział Madhusudhan.
Korzystając z widma bliskiej podczerwieni w obserwacjach planet przez Teleskop Hubble’a, Madhusudhan i jego współpracownicy ze Space Telescope Science Institute, w Baltimore, Maryland; Maryland University, College Park w Maryland; Johns Hopkins University w Baltimore i Dunlap Institute of Toronto University, w Ontario, w Kanadzie, oszacowali ilość pary wodnej w atmosferze planet, opierając się na zaawansowanych modelach komputerowych i technikach statystycznych, aby wyjaśnić dane. Planety te zostały wyselekcjonowane, ponieważ krążą blisko stosukowo jasnych gwiazd, które zapewniają wystarczającą ilość promieniowania w świetle podczerwonym, by można było podjąć obserwacje. Widmowe cechy pochłaniania przez parę wodną w atmosferze planet są nałożone na słabe światło gwiazd, które przebłyskuje przez atmosfery planet.
Wykrywanie wody jest prawie niemożliwe dla tranzytu planet obserwowanego z teleskopów naziemnych, ponieważ ziemska atmosfera zawiera dużo wody, co powoduje zaburzenie wyników obserwacji. „Naprawdę potrzebujemy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, by wykonać tego typu obserwacje” – powiedział Nicolas Crouzet z Dunlap Institute of Toronto University i współautor badań.
Obecnie akceptowana teoria powstawania planet olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym mówi o tzw. jądrze akrecji, w którym planety tworzą się wokół młodej gwiazdy w dysku protoplanetarnym, złożonym głównie z wodoru, helu oraz cząsteczek lodu i pyłu zawierającego inne pierwiastki chemiczne. Cząsteczki pyłu zlepiają się ze sobą, ostatecznie tworząc coraz większe ziarna. Siły grawitacyjne dysku upuszczają na te ziarna większe cząsteczki, aż ukształtuje się stałe jądro, które ostatecznie prowadzi do powstania olbrzymiej planety.
Teoria ta przewiduje, że proporcje różnych pierwiastków na planecie są większe w porównaniu z jej gwiazdą macierzystą, dotyczy to zwłaszcza tlenu, którego powinno być znacznie więcej. Gdy olbrzymia planeta się tworzy, spodziewamy się, że tlen w jej atmosferze będzie w dużej mierze zawart w cząsteczkach wody. Bardzo niski poziom pary wodnej w atmosferach badanych planet rodzi szereg pytań o skład chemiczny, który prowadzi do powstawania planet, mówią naukowcy.
„Jest jeszcze wiele rzeczy, których wciąż nie wiemy o egzoplanetach, więc to otwiera nowy rozdział do zrozumienia jak planety i układy słoneczne powstają. Problemem jest to, że zakładamy, że woda jest tak obfita, jak w naszym Układzie Słonecznym. Wyniki naszych badań ukazały, że właściwości wody mogą być znacznie słabsze, niż się tego spodziewaliśmy” – powiedział Drake Deming z Maryland University, który prowadził badania.
Te ogromne gazowe światy są gorące, mają temperatury od około 1100 do 2500 stopni Celsjusza i są idealnymi kandydatami na wykrycie pary wodnej w swoich atmosferach. Jednak, ku zaskoczeniu naukowców, badane planety mają około 1/10 do 1/1000 ilości wody, jaką przewidują standardowe teorie dotyczące formowania się planet.
„Nasze pomiary wody na jednej z planet, HD 209458b, są najprecyzyjniejszymi pomiarami związku chemicznego na planecie poza Układem Słonecznym, i możemy teraz powiedzieć, ze znacznie większą pewnością, niż kiedykolwiek wcześniej, że znaleźliśmy wodę na egzoplanetach. Jednak odkryliśmy zbyt niską ilości wody, co było zaskakujące” – mówi dr Nikku Madhusudhan z Instytutu Astronomii Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii, który kieruje badaniami. Madhusudhan powiedział, że odkrycie jest ogromnym wyzwaniem dla teorii egzoplanet. „Spodziewaliśmy się, że wszystkie te planety mają dużo wody. Musimy ponownie zrewidować modele formowania się i migracji planet olbrzymów, szczególnie „gorących Jowiszów” i zbadać, jak one powstają”.
Astronom podkreśla, że wyniki, choć uzyskane dla dużych gorących planet krążących blisko swoich gwiazd macierzystych, mogą mieć także poważne konsekwencje dla poszukiwania wody w potencjalnej strefie życia egzoplanet rozmiarów Ziemi. Instrumenty przyszłych teleskopów kosmicznych muszą być koniecznie zaprojektowane z większą czułością, jeśli docelowe planety są bardziej suche, niż się spodziewano. „Powinniśmy być przygotowani na dużo mniejszą obfitość wody, niż przewidywaliśmy szukając super-Ziemi (skalistej planety, kilka razy masywniejszej, niż Ziemia)” – powiedział Madhusudhan.
Korzystając z widma bliskiej podczerwieni w obserwacjach planet przez Teleskop Hubble’a, Madhusudhan i jego współpracownicy ze Space Telescope Science Institute, w Baltimore, Maryland; Maryland University, College Park w Maryland; Johns Hopkins University w Baltimore i Dunlap Institute of Toronto University, w Ontario, w Kanadzie, oszacowali ilość pary wodnej w atmosferze planet, opierając się na zaawansowanych modelach komputerowych i technikach statystycznych, aby wyjaśnić dane. Planety te zostały wyselekcjonowane, ponieważ krążą blisko stosukowo jasnych gwiazd, które zapewniają wystarczającą ilość promieniowania w świetle podczerwonym, by można było podjąć obserwacje. Widmowe cechy pochłaniania przez parę wodną w atmosferze planet są nałożone na słabe światło gwiazd, które przebłyskuje przez atmosfery planet.
Wykrywanie wody jest prawie niemożliwe dla tranzytu planet obserwowanego z teleskopów naziemnych, ponieważ ziemska atmosfera zawiera dużo wody, co powoduje zaburzenie wyników obserwacji. „Naprawdę potrzebujemy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, by wykonać tego typu obserwacje” – powiedział Nicolas Crouzet z Dunlap Institute of Toronto University i współautor badań.
Obecnie akceptowana teoria powstawania planet olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym mówi o tzw. jądrze akrecji, w którym planety tworzą się wokół młodej gwiazdy w dysku protoplanetarnym, złożonym głównie z wodoru, helu oraz cząsteczek lodu i pyłu zawierającego inne pierwiastki chemiczne. Cząsteczki pyłu zlepiają się ze sobą, ostatecznie tworząc coraz większe ziarna. Siły grawitacyjne dysku upuszczają na te ziarna większe cząsteczki, aż ukształtuje się stałe jądro, które ostatecznie prowadzi do powstania olbrzymiej planety.
Teoria ta przewiduje, że proporcje różnych pierwiastków na planecie są większe w porównaniu z jej gwiazdą macierzystą, dotyczy to zwłaszcza tlenu, którego powinno być znacznie więcej. Gdy olbrzymia planeta się tworzy, spodziewamy się, że tlen w jej atmosferze będzie w dużej mierze zawart w cząsteczkach wody. Bardzo niski poziom pary wodnej w atmosferach badanych planet rodzi szereg pytań o skład chemiczny, który prowadzi do powstawania planet, mówią naukowcy.
„Jest jeszcze wiele rzeczy, których wciąż nie wiemy o egzoplanetach, więc to otwiera nowy rozdział do zrozumienia jak planety i układy słoneczne powstają. Problemem jest to, że zakładamy, że woda jest tak obfita, jak w naszym Układzie Słonecznym. Wyniki naszych badań ukazały, że właściwości wody mogą być znacznie słabsze, niż się tego spodziewaliśmy” – powiedział Drake Deming z Maryland University, który prowadził badania.
Więcej informacji:
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródło: NASA
Na ilustracji:
Artystyczna wizja olbrzymiej gazowej planety HD 209458b w gwiazdozbiorze Pegaza. Źródło: NASA, ESA, G. Bacon (STScI) oraz N. Madhusudhan (UC).
