James Webb Space Telescope (JWST)

[Slavin]

Dwie egzoplanety krążące wokół białych karłów. James Webb fotografuje.



Za kilka miliardów lat nasze Słońce stanie się białym karłem. Co stanie się z Jowiszem i Saturnem, gdy Słońce zmieni się w gwiezdną pozostałość? Życie może toczyć się dalej, chociaż gigantyczne planety prawdopodobnie oddalą się z czasem nieco od Słońca.

Gwiazdy kończą swoje życie na różne sposoby. Najmasywniejsze z nich eksplodują jako supernowe, świecąc przez moment jaśniej niż galaktyka, w której się znajdują. Inne, nieco mniejsza, podobne do Słońca, nie popisują się już tak pod koniec życia. Gwiazdy te najpierw zwiększają swoje rozmiary, przechodząc w stadium czerwonego olbrzyma, a następnie odrzucają swoje zewnętrzne warstwy, które odpływając, tworzą przez jakiś czas mgławicę planetarną (która nie ma nic wspólnego z planetami) i przechodząc w stadium odsłoniętego jądra gwiazdy, czyli tzw. białego karła.

Naukowcy sądzą, że wokół niektórych białych karłów znajdują się dyski odłamków, z których może uformować się nowe pokolenie planet. Co więcej, istnieje teza, że część planet krążących wcześniej wokół gwiazdy także nie jest w stanie przetrwać fazy czerwonego olbrzyma i krążyć dalej wokół białego karła.

Naukowcy z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego, Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda i innych instytucji badawczych odkryli coś, co wygląda na dwie olbrzymie planety krążące wokół dwóch białych karłów w dwóch różnych układach planetarnych. Oba obiekty zostały opisane w artykule pt. „JWST Directly Images Giant Planet Candidates Around Two Metal-Polluted White Dwarf Stars” opublikowanym na serwerze preprintów arXiv.

Badania teoretyczne wskazują, że wokół białych karłów powinny istnieć egzoplanety. Planety zewnętrzne znajdujące się poza pasem planetoid w naszym Układzie Słonecznym powinny przetrwać przejście swojej gwiazdy z ciągu głównego przez stadium czerwonego olbrzyma do białego karła. Jednak planety znajdujące się bliżej zostaną pochłonięte przez czerwonego olbrzyma, w miarę jak będzie on zwiększał swoje rozmiary. W naszym Układzie Słonecznym Słońce prawdopodobnie całkowicie pochłonie lub rozerwie i zniszczy Merkurego, Wenus i Ziemię. Może nawet i Marsa.

Planety, które to przetrwają, prawdopodobnie oddalą się z czasem nieco bardziej od gwiazdy, gdyż ta będzie traciła masę, a tym samym jej grawitacja będzie słabła w fazie czerwonego olbrzyma.

Problem polega jednak na tym, że trudno jest wykryć planety krążące wokół białych karłów. Pomimo usilnych wysiłków astronomowie odkryli jedynie kilka obiektów o masach planetarnych krążących wokół takich obiektów.

Na chwilę obecną autorzy opracowania odkryli dwie potencjalne planety krążace wokół białych karłów. Znajdują się w odległości około 11,5 i 34,5 jednostki astronomicznej od swoich gwiazd, które mają 5,3 miliarda i 1,6 miliarda lat. Jeśli planety są tak stare jak gwiazdy, fotometria MIRI pokazuje, że mają one od 1 do 7 mas Jowisza.

„Jeśli uda się to potwierdzić, będą to pierwsze bezpośrednio sfotografowane planety podobne zarówno pod względem wieku, jak i odległości do gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym. Dowodziłoby to, że dalekie planety, takie jak Jowisz, są w stanie przetrwać ewolucję gwiazd, takich jak Słońce” – piszą autorzy.

Jeśli badacze mają rację i planety powstały w tym samym czasie co gwiazdy, jest to ważny krok w naszym rozumieniu egzoplanet i gwiazd, które krążą wokół nich. Może to mieć także wpływ na życie na księżycach krążących wokół tych planet.

Mamy tu jednak zupełnie inny problem związany z białymi karłami: metaliczność białych karłów.

Wydaje się, że niektóre białe karły są zanieczyszczone metalami, pierwiastkami cięższymi od wodoru i helu. Astronomowie uważają, że metale te pochodzą z planetoid w pasie planetoid, które zostały zaburzone grawitacyjnie i wyrzucone przez grawitację gazowych olbrzymów w kierunku białego karła.



„Potwierdzenie istnienia tych dwóch kandydatów na planety za pomocą przyszłych obrazowań MIRI dostarczyłoby dowodów bezpośrednio łączących planety-olbrzymy z zanieczyszczeniem białych karłów metalami” – piszą autorzy.

Astronomowie odkryli, że aż 50% izolowanych białych karłów w atmosferze wodorowej ma metale w fotosferach, czyli warstwie powierzchniowej gwiazd. Te białe karły muszą aktywnie akumulować metale ze swojego otoczenia. Ulubionym źródłem tych metali są planetoidy i komety.

„W tym scenariuszu planety, które przetrwają fazę czerwonego olbrzyma, czasami zakłócają orbity planetoid i komet, które następnie kierują się w stronę białego karła” – piszą autorzy.

Astronomowie mieli trudności ze znalezieniem planet wokół białych karłów. Główne metody wyszukiwania planet nie są zbyt skuteczne w pobliżu białych karłów. Metoda tranzytu stosowana przez Keplera i TESS jest nieskuteczna, ponieważ białe karły są za małe i słabo świecą. Inną metodą jest metoda prędkości radialnych, która wyczuwa, jak gwiazda kołysze się pod wpływem planety. Mierzy zmianę widma gwiazdy spowodowaną wahaniami. Jednakże białe karły mają prawie pozbawione cech charakterystycznych widma, co sprawia, że zmiany radialne są niezwykle trudne do wykrycia.

„Możliwości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) w podczerwieni oferują wyjątkową możliwość bezpośredniego obrazowania planet o masach Jowisza krążących wokół pobliskich białych karłów” – piszą naukowcy w swoim artykule.

JWST jest wystarczająco silny, aby bezpośrednio fotografować duże planety wokół małych gwiazd bez użycia koronografu, pod warunkiem, że planety znajdują się wystarczająco daleko od gwiazdy. „Korzystając z doskonałej rozdzielczości JWST, możliwe jest bezpośrednie obrazowanie planety w odległości zaledwie kilku jednostek astronomicznych od pobliskich białych karłów bez użycia koronografu” -przekonują badacze.

Częścią wysiłku włożonego w tę pracę jest identyfikacja źródeł punktowych. W astronomii źródło punktowe to pojedyncze, możliwe do zidentyfikowania źródło światła. Jego przeciwieństwem jest źródło rozdzielone lub źródło rozszerzone. Naukowcy musieli mieć pewność, że to, co widzą wokół białych karłów, to źródła punktowe, którymi w tym przypadku są najprawdopodobniej planety. „Spodziewamy się, że pojawią się one jako źródła punktowe, które zwiększają jasność na dłuższych falach” – piszą.

Aby ustalić, czy to, co widzą, jest źródłami punktowymi, astronomowie stosują proces zwany referencyjnym obrazowaniem różnicowym. To skomplikowana procedura, ale zasadniczo polega na odjęciu źródeł od obrazów. Jest ona szczególnie skuteczna w znajdowaniu planet krążących blisko gwiazd.

„Jeśli te dwie kandydatury na planety zostaną potwierdzone, dostarczą konkretnych dowodów obserwacyjnych na to, że zewnętrzne olbrzymy, takie jak Jowisz, przetrwają ewolucję gwiazdy o małej masie” – piszą autorzy. Potwierdzenie potwierdziłoby również pogląd, że 25–50% białych karłów ma duże planety. To duży krok naprzód w zrozumieniu ich cech charakterystycznych oraz ewolucji.

Ale te wyniki niestety nie dają odpowiedzi na inne pytanie: czy duże planety są odpowiedzialne za wysyłanie śmieci na powierzchnię białych karłów? „Potwierdzenie istnienia tych planet nie jest jednak wystarczające, aby bez dalszych obserwacji w pełni potwierdzić, że to właśnie gazowe olbrzymy napędzają opadanie planetoid na powierzchnie białych karłów”. Odpowiedź na to pytanie mogą dać jedynie obserwacje większej liczby białych karłów, szczególnie za pomocą JWST.

https://arxiv.org/abs/2401.13153

[Slavin]

Astronomowie odkrywają emisję metanu na zimnym brązowym karle.

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca brązowego karła W1935, oddalonego od nas o 47 lat świetlnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (Space Telescope Science Institute)


Odkryto emisję metanu na brązowym karle. Naukowcy sugerują, że karzeł może generować zjawiska podobne do zorzy polarnej obserwowanej m.in. na Ziemi.

Korzystając z najnowszych obserwacji z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), naukowcy odkryli emisję metanu na brązowym karle, co stanowi niespodziewane odkrycie dla tak zimnego i odizolowanego obiektu. Wyniki tych badań, opublikowane w czasopiśmie Nature, sugerują, że ten brązowy karzeł może generować zjawiska atmosferyczne podobne do zorzy obserwowanej na naszej planecie, jak również na Jowiszu i Saturnie.

Brązowe karły, bardziej masywne od planet, ale lżejsze od gwiazd, są powszechne w naszym słonecznym sąsiedztwie – zidentyfikowano ich tysiące. W ubiegłym roku Jackie Faherty, starszy naukowiec i kierownik ds. edukacji w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej, przewodniczyła zespołowi badaczy, którzy otrzymali czas na JWST w celu zbadania 12 brązowych karłów. Wśród nich znalazł się CWISEP J193518.59–154620.3 (w skrócie W1935) – zimny brązowy karzeł oddalony o 47 lat świetlnych, odkryty przez naukowca-wolontariusza Backyard Worlds: Planet 9, Dana Caseldena, oraz zespół NASA CatWISE. W1935 to zimny brązowy karzeł o temperaturze powierzchni około 315 K. Jego masa nie jest dokładnie znana, ale szacuje się, że mieści się w przedziale od 6 do 35 mas Jowisza.

Po przeanalizowaniu obserwacji wielu brązowych karłów wykonanych przez JWST, zespół Faherty zauważył, że W1935 wyróżniał się spośród innych. Jako jedyny emitował metan, gaz, który wcześniej nie był obserwowany na brązowych karłach.

Metanu można się spodziewać na planetach olbrzymich i brązowych karłach, ale zwykle widzimy do pochłaniającego światło, a nie świecącego – powiedziała Faherty, główna autorka badania. Na początku byliśmy zdezorientowani tym, co widzimy, ale ostatecznie przekształciło się to w czyste podekscytowanie odkryciem.

Komputerowe modelowanie wykazało, że brązowy karzeł W1935, może posiadać inwersję temperatury, gdzie atmosfera staje się cieplejsza wraz ze wzrostem wysokości. Inwersje temperatury są powszechne na planetach krążących wokół gwiazd, ale W1935 jest odosobniony i nie ma wyraźnego zewnętrznego źródła ciepła.

Byliśmy mile zaskoczeni, gdy model wyraźnie przewidział inwersję temperatury – powiedział współautor Ben Burningham z University of Hertfordshire. Ale musieliśmy również dowiedzieć się, skąd pochodzi to dodatkowe ciepło w górnej atmosferze.

Aby to zbadać, naukowcy zwrócili się do naszego Układu Słonecznego. W szczególności przyjrzeli się badaniom Jowisza i Saturna, które wykazują emisję metanu i inwersję temperatury. Prawdopodobną przyczyną tej właściwości u olbrzymów Układu Słonecznego są zorze polarne, dlatego zespół badawczy przypuszczał, że odkryto to samo zjawisko na W1935.

Planetolodzy wiedzą, że zorze polarne na Jowiszu i Saturnie są spowodowane przez wysokoenergetyczne cząstki ze Słońca oddziałujące z polami magnetycznymi i atmosferami planet, co prowadzi do nagrzewania górnych warstw. To samo zjawisko powoduje zorze polarne na Ziemi, znane również jako zorza północna lub południowa, które są najjaśniejsze w pobliżu biegunów. Jednak ponieważ W1935 nie ma gwiazdy macierzystej, wiatr słoneczny nie może wyjaśnić tego zjawiska.

Istnieje jeszcze jeden kuszący powód obecności zorzy polarnych w naszym Układzie Słonecznym. Zarówno Jowisz, jak i Saturn mają aktywne księżyce, które okresowo wyrzucają materiał w przestrzeń kosmiczną, wchodząc w interakcje z planetami i wzmacniając zorze na tych światach. Księżyc Jowisza Io jest najbardziej aktywnym wulkanicznie światem w Układzie Słonecznym, wyrzucając fontanny lawy na wysokość dziesiątków kilometrów, podczas gdy księżyc Saturna Enceladus wyrzuca parę wodną ze swoich gejzerów, która jednocześnie zamarza i wrze, gdy uderza w przestrzeń kosmiczną. Potrzebne są dalsze obserwacje, ale naukowcy spekulują, że jednym z wyjaśnień zorzy na W1935 może być aktywny, jeszcze nieodkryty księżyc.

Za każdym razem, gdy astronom kieruje JWST na obiekt, pojawia się szansa na nowe, oszałamiające odkrycie – powiedziała Faherty. Emisja metanu nie była na moim radarze, gdy rozpoczynaliśmy ten projekt, ale teraz, gdy wiemy, że może tam być, a jej wyjaśnienie jest tak kuszące, nieustannie jej szukam. To część tego, jak nauka idzie naprzód.

https://www.amnh.org/about/press-center/methane-emission-brown-dwarf

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07190-w

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/astronomowie-odkrywaja-emisje-metanu-na-zimnym-brazowym-karle