באמצעות טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א, ייתכן שמדענים זיהו גזים אטמוספריים על 55 Cancri e, כוכב הלכת אקזו-פלנט סלעי וחם במיוחד. תגלית זו יכולה לייצג את העדות המובהקת ביותר לאטמוספירה בכל כוכב לכת סלעי מחוץ למערכת השמש שלנו. קרדיט: twoday.co.il.com
גז המבעבע ממשטח מכוסה לבה על 55 Cancri e עשוי להזין אטמוספירה עשירה בפחמן דו חמצני או פחמן חד חמצני.
בימינו, זיהוי אטמוספרה פלנטרית במרחק של עשרות ואף מאות שנות אור מכדור הארץ אולי לא נשמע כמו עניין כל כך גדול. מדענים מצאו סימנים לאטמוספירה סביב עשרות כוכבי לכת אקסו-פלנטים במהלך שני העשורים האחרונים. המלכוד הוא שלכל כוכבי הלכת האלה יש אטמוספרות עבות, הנשלטות במימן, שקל יחסית לחקור. שמיכות הגז הדקות הרבה יותר שמקיפות כמעט בוודאות כמה כוכבי לכת אקזו-כוכבים קטנים וסלעיים נותרו חמקמקים.
חוקרים חושבים שאולי תפסו סוף סוף הצצה לאטמוספירה עשירה בנדיפות המקיפה כוכב לכת סלעי. אור הנפלט על ידי החם, המוקרן מאוד אקסופלנט 55 Cancri e מראה עדויות משכנעות לאטמוספירה, כנראה עשירה בפחמן דו חמצני או פחמן חד חמצני, אשר עשויה לבעבע מאוקיינוס עצום של לבה המכסה את פני כדור הארץ.
התוצאה היא העדות הטובה ביותר עד כה לאטמוספירה של כוכב לכת סלע מחוץ למערכת השמש שלנו.
הקונספט של אמן זה מראה כיצד יכול להיראות כוכב הלכת 55 Cancri e. נקרא גם Janssen, 55 Cancri e הוא מה שנקרא סופר-אדמה, כוכב לכת סלעי גדול משמעותית מכדור הארץ אך קטן מנפטון, המקיף את הכוכב שלו במרחק של 1.4 מיליון מיילים בלבד (0.015 יחידות אסטרונומיות), ומשלים מסלול שלם אחד. תוך פחות מ-18 שעות. (מרקורי רחוקה מהשמש פי 25 מ-55 Cancri e מהכוכב שלה.) המערכת, הכוללת גם ארבעה כוכבי לכת ענקיים ענקיים, ממוקמת כ-41 שנות אור מכדור הארץ, בקבוצת הכוכבים סרטן. קרדיט: נאס"א, ESA, CSA, ראלף קרופורד (STScI)
טלסקופ החלל Webb רומז על אטמוספירה אפשרית המקיפה את כוכב הלכת הרוקי
חוקרים משתמשים נאס"אשל טלסקופ החלל ג'יימס ווב ייתכן שזיהה גזים אטמוספריים המקיפים את 55 Cancri e, כוכב הלכת אקזו-סלעי לוהט במרחק של 41 שנות אור מכדור הארץ. זוהי העדות הטובה ביותר עד כה לקיומה של כל אטמוספירה של כוכב לכת סלע מחוץ למערכת השמש שלנו.
Renyu Hu ממעבדת הנעת סילון של נאס"א (JPL) בפסדינה, קליפורניה, הוא המחבר הראשי במאמר שפורסם ב-8 במאי ב טֶבַע. "ווב דוחף את הגבולות של אפיון כוכבי לכת אקסופלנטים לכוכבי לכת סלעיים", אמר הו. "זה באמת מאפשר סוג חדש של מדע."
Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e
55 Cancri e, הידוע גם בשם Janssen, הוא אחד מחמישה כוכבי לכת ידועים המקיפים את הכוכב דמוי השמש 55 Cancri, בקבוצת הכוכבים סרטן. עם קוטר כמעט כפול מזה של כדור הארץ וצפיפות מעט גדולה יותר, כוכב הלכת מסווג כעל-כדור הארץ: גדול מכדור הארץ, קטן מ נפטוןוכנראה דומה בהרכבו לכוכבי הלכת הסלעיים במערכת השמש שלנו.
לתאר את 55 Cancri e כ"סלעי", לעומת זאת, עלול להשאיר רושם מוטעה. כוכב הלכת מקיף כל כך קרוב לכוכב שלו (כ-1.4 מיליון מיילים, או עשרים וחמש מהמרחק בין מרקורי לשמש), עד שסביר להניח שפני השטח שלו מותכים – אוקיינוס מבעבע של מאגמה. עם מסלול כה הדוק, סביר להניח שכוכב הלכת יהיה נעול בגאות, עם צד יום הפונה לכוכב בכל עת וצד לילה בחושך תמידי.
למרות תצפיות רבות מאז שהתגלה כמעבר ב-2011, השאלה האם ל-55 Cancri e יש או אין אטמוספרה – או אפילו הָיָה יָכוֹל האם אחד נתון לטמפרטורה הגבוהה שלו ולמתקפה המתמשכת של קרינת כוכבים ורוח מהכוכב שלו – לא נענה.
"עבדתי על הפלנטה הזו יותר מעשור", אמרה דיאנה דראגומיר, חוקרת כוכבי לכת מאוניברסיטת ניו מקסיקו ומחברת שותפה למחקר. "זה היה ממש מתסכל שאף אחת מהתצפיות שקיבלנו לא פתרה את התעלומות האלה בצורה איתנה. אני נרגש שסוף סוף אנחנו מקבלים כמה תשובות!"
בניגוד לאטמוספירות של כוכבי לכת ענקיים בגז, שקל יחסית לזהות (הראשון זוהה על ידי נאס"א טלסקופ החלל האבל לפני יותר משני עשורים), אטמוספרות דקות וצפופות יותר המקיפות כוכבי לכת סלעיים נותרו חמקמקות.
מחקרים קודמים של 55 Cancri e המשתמשים בנתונים מטלסקופ החלל שפיצר של נאס"א שפרש כעת, העלו את נוכחותה של אטמוספירה משמעותית העשירה בחומרים נדיפים (מולקולות המופיעות בצורת גז על פני כדור הארץ) כמו חמצן, חנקן ופחמן דו חמצני. אבל החוקרים לא יכלו לשלול אפשרות נוספת: שהכוכב חשוף, מלבד מעטה קלוש של סלע אידוי, עשיר ביסודות כמו סיליקון, ברזל, אלומיניום וסידן. "כוכב הלכת כל כך חם שחלק מהסלע המותך אמור להתאדות", הסביר הו.
עקומת אור זו מציגה את השינוי בבהירות של מערכת 55 Cancri כאשר כוכב הלכת הסלעי 55 Cancri e, הקרוב ביותר מבין חמשת כוכבי הלכת הידועים במערכת, נע מאחורי הכוכב. תופעה זו ידועה ליקוי משני.
כאשר כוכב הלכת נמצא ליד הכוכב, האור האינפרא אדום האמצעי הנפלט על ידי הכוכב ומצד היום של כוכב הלכת מגיע לטלסקופ, והמערכת נראית בהירה יותר. כאשר כוכב הלכת נמצא מאחורי הכוכב, האור הנפלט מכוכב הלכת נחסם ורק אור הכוכבים מגיע לטלסקופ, מה שגורם לירידה בבהירות הנראית.
אסטרונומים יכולים להחסיר את בהירות הכוכב מהבהירות המשולבת של הכוכב וכוכב הלכת כדי לחשב כמה אור אינפרא אדום מגיע מצלעות היום של כוכב הלכת. זה משמש לאחר מכן כדי לחשב את טמפרטורת היום ולהסיק אם לכוכב הלכת יש אטמוספרה או אין.
קרדיט: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), אהרון בלו-ארופה (NASA-JPL)
מדידת וריאציות עדינות בצבעי אינפרא אדום
כדי להבחין בין שתי האפשרויות, הצוות השתמש ב-NIRCam של Webb (מצלמה קרובה לאינפרא אדום) וב-MIRI (מכשיר באמצע אינפרא אדום) כדי למדוד אור אינפרא אדום של 4 עד 12 מיקרון המגיע מכוכב הלכת.
למרות ש-Webb אינו יכול לצלם תמונה ישירה של 55 Cancri e, הוא יכול למדוד שינויים עדינים באור מהמערכת כאשר כוכב הלכת מקיף את הכוכב.
על ידי הפחתת הבהירות במהלך הליקוי המשני (ראה תמונה למעלה), כאשר כוכב הלכת נמצא מאחורי הכוכב (אור כוכבים בלבד), מהבהירות כאשר כוכב הלכת נמצא ממש ליד הכוכב (אור מהכוכב והכוכב ביחד), הצוות היה מסוגל לחשב את כמות אורכי הגל השונים של אור אינפרא אדום המגיע משולי היום של כדור הארץ.
שיטה זו, המכונה ספקטרוסקופיה ליקוי משנית, דומה לזו שבה משתמשים צוותי מחקר אחרים כדי לחפש אטמוספרות על כוכבי לכת סלעיים אחרים, כמו TRAPPIST-1 b.
ספקטרום פליטה תרמית שנלכד על ידי NIRCam (מצלמה קרובה לאינפרא אדום) של Webb בנובמבר 2022, ו-MIRI (אמצעי אינפרא אדום מכשיר) במרץ 2023, מציג את הבהירות (ציר y) של אורכי גל שונים של אור אינפרא אדום (ציר x) הנפלט על ידי כוכב הלכת העל-כדור הארץ 55 Cancri e. הספקטרום מראה שכוכב הלכת עשוי להיות מוקף באטמוספירה עשירה בפחמן דו חמצני או פחמן חד חמצני וחומרים נדיפים אחרים, לא רק בסלע אידוי.
הגרף משווה נתונים שנאספו על ידי NIRCam (נקודות כתומות) ו-MIRI (נקודות סגולות) לשני מודלים שונים. דגם A, באדום, מראה כיצד צריך להיראות ספקטרום הפליטה של 55 Cancri e אם יש לו אטמוספירה העשויה מסלע אידוי. דגם B, בכחול, מראה כיצד צריך להיראות ספקטרום הפליטה אם לכוכב הלכת יש אטמוספירה עשירה בנדיפים, היוצאת מגז מאוקיינוס מאגמה שיש לו תוכן נדיף דומה למעטפת כדור הארץ. גם נתוני MIRI וגם NIRCam תואמים את המודל העשיר בתנודתיות.
כמות האור האמצעי-אינפרא אדום הנפלט על ידי כוכב הלכת (MIRI) מראה שטמפרטורת היום שלו נמוכה משמעותית ממה שהיתה אם לא הייתה לו אטמוספירה לחלוקת חום מהיום ללילה. ניתן להסביר את הצניחה בספקטרום בין 4 ל-5 מיקרון (נתוני NIRCam) על ידי ספיגה של אורכי גל אלו על ידי מולקולות פחמן חד חמצני או פחמן דו חמצני באטמוספרה.
קרדיט: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), אהרון בלו-ארופה (NASA-JPL), מייקל ז'אנג (אוניברסיטת שיקגו), Mantas Zilinskas (SRON)
קריר מהצפוי
האינדיקציה הראשונה לכך ש-55 Cancri e יכולה להיות בעלת אטמוספירה משמעותית הגיעה ממדידות טמפרטורה המבוססות על פליטה תרמית שלה (ראה תמונה למעלה), או אנרגיית חום שנפלטה בצורה של אור אינפרא אדום. אם כוכב הלכת מכוסה בסלע מותך כהה עם צעיף דק של סלע אידוי או ללא אטמוספירה כלל, שעון היום צריך להיות בסביבות 4,000 מעלות פרנהייט (~2,200 מעלות צֶלסִיוּס).
"במקום זאת, נתוני MIRI הראו טמפרטורה נמוכה יחסית של כ-2,800 מעלות פרנהייט (~1540 מעלות צלזיוס)", אמר הו. "זו אינדיקציה חזקה מאוד לכך שהאנרגיה מתפזרת מהיום ללילה, ככל הנראה על ידי אטמוספירה עשירה בנדיפות." בעוד שזרמים של לבה יכולים לשאת מעט חום אל הלילה, הם לא יכולים להזיז אותו ביעילות מספיק כדי להסביר את אפקט הקירור.
כשהצוות הסתכל על נתוני NIRCam, הם ראו דפוסים התואמים לאווירה עשירה בהפכפכות".
אנו רואים עדויות לצניחה בספקטרום בין 4 ל-5 מיקרון – פחות מהאור הזה מגיע לטלסקופ", הסביר מחבר שותף אהרון בלו-ארופה, גם הוא מ-NASA JPL. "זה מרמז על נוכחות של אטמוספירה המכילה פחמן חד חמצני או פחמן דו חמצני, שסופגים את אורכי הגל הללו של האור." כוכב לכת ללא אטמוספירה או אטמוספירה המורכבת רק מסלע אידוי לא תהיה בעלת תכונה ספקטרלית ספציפית זו.
"בילינו את עשר השנים האחרונות במודלים של תרחישים שונים, בניסיון לדמיין איך העולם הזה עשוי להיראות", אמרה שותפה לכותבת ימילה מיגל ממצפה ליידן ומהמכון ההולנדי לחקר החלל (SRON). "סוף סוף לקבל אישור על העבודה שלנו זה לא יסולא בפז!"
מאגמה אוקיינוס מבעבע
הצוות חושב שהגזים המכסים את 55 Cancri e יבעבעו החוצה מהפנים, במקום להיות נוכחים מאז שהכוכב נוצר. "האטמוספרה הראשונית תיעלם מזמן בגלל הטמפרטורה הגבוהה והקרינה העזה מהכוכב", אמר בלו-ארופה. "זו תהיה אטמוספירה משנית שמתחדשת ברציפות על ידי האוקיינוס המאגמה. מאגמה היא לא רק גבישים וסלע נוזלי; יש בו גם הרבה גז מומס."
בעוד 55 Cancri e חם מדי מכדי להיות ראוי למגורים, חוקרים חושבים שהוא יכול לספק חלון ייחודי לחקר האינטראקציות בין אטמוספרות, משטחים ופנים של כוכבי לכת סלעיים, ואולי לספק תובנות לגבי התנאים המוקדמים של כדור הארץ, וֵנוּסו מַאְדִים, שלדעתם כוסו באוקיינוסים מאגמה הרחק בעבר. "בסופו של דבר, אנחנו רוצים להבין אילו תנאים מאפשרים לכוכב לכת סלע לקיים אטמוספירה עשירה בגז: מרכיב מפתח לכוכב לכת ראוי למגורים", אמר הו.
מחקר זה נערך כחלק מתוכנית המשקיפים הכלליים (GO) של Webb משנת 1952. ניתוח של תצפיות ליקוי משני נוספות של 55 Cancri e מתבצע כעת.
טלסקופ החלל ג'יימס ווב הוא מצפה הכוכבים המוביל בעולם למדעי החלל. ווב פותר תעלומות במערכת השמש שלנו, מסתכל מעבר לעולמות רחוקים סביב כוכבים אחרים, וחוקר את המבנים והמקורות המסתוריים של היקום שלנו ומקומנו בו. Webb היא תוכנית בינלאומית בהובלת נאס"א עם שותפיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) וסוכנות החלל הקנדית.
