Astronomowie znaleźli wodę na jednej z egzoplanet?

Dzięki obserwacjom poczynionym za pomocą zbudowanego w 1998 roku Teleskopu Subaru, należącego do Japońskiego Narodowego Obserwatorium Astronomicznego, dokonano analizy atmosferycznej planety Gliese 1214b. Jest to obiekt należącej do klasy nazywanych "super-Ziemiami". Planeta GJ 1214b została odkryta w 2009 r. przez zespół realizujący projekt poszukiwań planet pozasłonecznych MEarth. Celem badania była próba wykazania czy planeta posiada atmosferę zawierającą duże ilości wody lub wodoru.

Przeprowadzenie badania stanowiło poważne wyzwanie dla zespołu badawczego, ponieważ gwiazda GJ 1214 jest czerwonym karłem i emituje bardzo niewiele światła w niebieskim zakresie widma, wykorzystanym w analizie. Z tego względu postanowiono użyć 8,2-metrowej średnicy teleskop Subaru, dzięki czemu osiągnięto bardzo wysoką czułość w wybranym przedziale widma świetlnego.

Badania przeprowadzone przez zespół japońskich naukowców opierały się na analizie materiału zebranego przez dwa instrumenty optyczne teleskopu - kamerę Suprime-Cam oraz FOCAS (Faint Object Camera and Spectrograph), przy czym w trakcie rejestracji obrazów posłużono się filtrem ograniczającym obserwowany zakres do niebieskiej barwy widma. Ponieważ układ Gliese 1214 jest systemem tranzytowym, a więc w którym - z perspektywy ziemskiego obserwatora - planeta przemieszcza się przed swoją gwiazdą macierzystą, możliwe jest zarejestrowanie dokładnych zmian w jasności i widmie tej gwiazdy i określenie w ten sposób charakterystyki planetarnej atmosfery.

Dzieje się tak dlatego, ponieważ światło czerwonego karła GJ 1214, przechodząc przez atmosferę planety ulega rozproszeniu, zmieniając charakterystykę swojego widma, co w efekcie pozwala naukowcom na wnioskowanie o składzie atmosfery występującej na tej "super-Ziemi". Zjawisko to nosi nazwę rozpraszania Rayleigha, od nazwiska Lorda Rayleigha, któremu jako pierwszemu udało się opisać ten proces, który odpowiedzialny jest również za niebieski kolor naszego nieba.

W odniesieniu do systemu Gliese 1214b, oczekiwano jednego z trzech możliwych rezultatów przeprowadzonego badania.

Wyraźne rozpraszanie Rayleigha, oznaczałoby, że planeta prawdopodobnie posiada silnie rozszerzoną, wodorową atmosferę. W takim przypadku światło czerwonego karła przechodząc przez atmosferę GJ 1214b uległoby wyraźnemu rozproszeniu i poczerwienieniu, ponieważ niebieska część widma zostałaby mocniej rozproszona w tym ośrodku niż czerwona.

Z drugiej strony, słabe rozpraszanie Rayleigha lub wręcz jego brak, oznaczałoby, że planeta posiada gęstszą atmosferę złożoną z molekuł wody, przez co obserwowane rozpraszanie byłoby w znacznym stopniu ograniczone. Alternatywnie, brak występowania tego zjawiska można także tłumaczyć występowaniem rozszerzonej atmosfery wodorowej w której jednak występuje rozbudowana warstwa chmur, odbijająca światło czerwonego karła, przez co rozpraszanie Rayleigha zostałoby znacznie ograniczone.

W przypadku badanej planety GJ 1214b odkryto, że jej atmosfera nie przejawia własności charakterystycznych dla rozpraszania Rayleigha. Rezultat ten w połączeniu z wcześniej przeprowadzonymi badaniami oznacza, że przypuszczalnie jest to obiekt posiadający atmosferę bogatą w wodę lub wodorową atmosferę, w której występuje gęsta pokrywa chmur. W celu ostatecznego potwierdzenia konieczne będzie jednak przeprowadzenie dalszych badań.

Badania obiektów tego typu są niezwykle interesującym tematem dociekań współczesnej astronomii, ponieważ do tej pory nie udało się jasno stwierdzić, czy planety te są bliższe Ziemi, a zatem skaliste, czy też może są bardziej zbliżone do obiektów takich jak Neptun, a zatem nie posiadających stałej powierzchni. Ogólna charakterystyka tych ciał będzie mogła zatem powstać dopiero po dokładnym przebadaniu ich większej liczby.

Obecna teoria zakłada, że planety tworzą się w gęstym dysku gazowo-pyłowym, otaczającym nowo uformowaną gwiazdę, składającym się w dużej części z wodoru. Lód wodny jednak może występować jedynie poza tzw. "linią śniegu", czyli w zewnętrznym regionie dysku. Poznanie charakterystyki atmosferycznej GJ 1214b (a także innych egzoplanet tego typu) w teorii pozwoliłoby na określenie miejsca dysku, w którym powstała ta planeta, a co za tym idzie, pomogłoby w poznaniu procesów ewolucyjnych układów pozasłonecznych oraz związaną z tymi procesami migracją planety na nową orbitę.

Źródło informacji (NAOJ)

Adam Piech