Astronomowie, korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odkryli atmosferę na skalistej egzoplanecie 55 Cancri e, oddalonej od Ziemi o 41 lat świetlnych. To pierwsza skalista planeta poza Układem Słonecznym, na której potwierdzono istnienie atmosfery.
55 Cancri e to jedna z pięciu znanych planet krążących wokół 55 Cancri — gwiazdy podobnej do Słońca, znajdującej się w konstelacji Raka. Planeta ta jest klasyfikowana jako tzw. superziemia. Ma średnicę prawie dwukrotnie większą od naszej planety i masę osiem razy większą. Prawdopodobnie podobna jest pod względem składu do planet skalistych w naszym Układzie Słonecznym.
Planeta znajduje się na bardzo ciasnej orbicie. Okrążą swoją gwiazdę w 18 godzin w odległości około 2,25 miliona kilometrów – to jedna dwudziesta piąta odległości między Merkurym a Słońcem. Z tego tez powodu jej powierzchnia to ocean stopionych skał. Na tak ciasnej orbicie planeta zachowuje się tak, jak nasz Księżyc, czyli z dzienną stroną skierowaną przez cały czas w stronę gwiazdy, a nocną pogrążoną w wiecznej ciemności.
W 2015 roku w wyniku publicznego konkursu planeta otrzymała nazwę Janssen, która upamiętnia holenderskiego konstruktora pierwszego mikroskopu optycznego — Zachariasza Janssen. Badaczowi przypisuje się również opracowanie teleskopu. W tym samym konkursie gwiazda macierzysta planety Janssen otrzymała nazwę Copernicus na cześć Mikołaja Kopernika.
W przeciwieństwie do atmosfer gazowych olbrzymów, które są stosunkowo łatwe do wykrycia, cieńsze i gęstsze atmosfery otaczające planety skaliste trudno rozpoznać. Biorąc pod uwagę ciasną orbitę oraz wysoką temperaturę panującą na powierzchni Janssen i ciągły zalew promieniowania płynącego ze strony gwiazdy astronomowie wątpili, by mogła tam powstać i utrzymać się atmosfera.
Jednak wcześniejsze badania 55 Cancri e z wykorzystaniem danych z niedziałającego już Kosmicznego Teleskopu Spitzera sugerowały obecność atmosfery bogatej w substancje lotne, takie jak tlen, azot i dwutlenek węgla. Jednak zebrane dane nie były pewne i badacze nie mogli wykluczyć innej możliwości: że planeta jest naga, jeśli nie liczyć cienkiego całunu odparowanych skał, bogatego w pierwiastki takie jak krzem, żelazo, aluminium i wapń.
— Planeta jest tak gorąca, że część stopionej skały powinna wyparować — wyjaśnił Renyu Hu z NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), główny autor niedawnej publikacji na temat atmosfery na 55 Cancri e, która ukazała się na łamach "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-024-07432-x).
By ustalić, czy Janssen posiada atmosferę, naukowcy wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i jego możliwości do obserwacji w zakresie światła podczerwonego. Chociaż Webb nie jest w stanie uchwycić bezpośredniego obrazu 55 Cancri e, może zmierzyć subtelne zmiany w świetle całego układu, gdy planeta krąży wokół gwiazdy.
Pierwszą wskazówką, że 55 Cancri e może posiadać znaczną atmosferę, były pomiary temperatury oparte na emisji cieplnej, czyli energii cieplnej wydzielanej w postaci światła podczerwonego. Jeśli planeta faktycznie jest pokryta ciemną, roztopioną skałą z cienką osłonką odparowanych skał lub nie ma w ogóle atmosfery, temperatura po stronie dziennej powinna wynosić około 2200 st. C.
— Zamiast tego dane z JWST wykazały znacznie niższą temperaturę wynoszącą około 1540 stopni Celsjusza. To bardzo wyraźna wskazówka, że energia jest rozprowadzana ze strony dziennej na nocną, najprawdopodobniej przez atmosferę bogatą w substancje lotne – powiedział Hu. Transport ciepła mógłby odbywać się też za pomocą lawy, ale, jak twierdzą badacze, proces ten nie byłby w stanie przenieść go wystarczająco skutecznie, aby wyjaśnić efekt chłodzenia.
Z kolei dane zebrane przez instrument NIRCam na JWST pokazały, że do teleskopu dociera mniej światła o długości fal między 4 a 5 mikronów. – To sugeruje obecność atmosfery zawierającej tlenek lub dwutlenek węgla, które pochłaniają światło o tych długościach fal – wyjaśnił współautor publikacji Aaron Bello-Arufe z JPL. Planeta pozbawiona atmosfery lub posiadająca jedynie odparowane skały w atmosferze nie miałaby takich cech widma.
Zespół uważa, że gazy pokrywające 55 Cancri e nie są pierwotną atmosferą, bo ta dawno zniknęłaby z powodu wysokiej temperatury i intensywnego promieniowania gwiazdy. — To atmosfera wtórna, stale uzupełniana przez ocean lawy, a to nie tylko płynna skała, jest w niej także dużo rozpuszczonego gazu — powiedział Bello-Arufe.
Oprócz tlenku i dwutlenku węgla mogą w niej występować też azot, para wodna, dwutlenek siarki, odparowane skały, a nawet krótkotrwałe chmury utworzone z drobnych kropelek lawy skondensowanej z powietrza. Chociaż 55 Cancri e jest o wiele za gorąca, aby mogło tam rozwinąć się życie, jakie znamy, to naukowcy uważają, że może zapewnić wyjątkowe okno do badania interakcji między atmosferami, powierzchniami i wnętrzami planet skalistych, a być może dostarczyć wglądu we wczesną Ziemię, Wenus i Marsa, które, jak się uważa, w przeszłości również były pokryte oceanami stopionych skał.
Źródło: NASA, fot. NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)
