Webb Uzay Teleskobu, Samanyolu’ndaki iki ilgi çekici “süper Dünya”nın ayrıntılarını sağlayacak

Gökbilimciler, iki ilginç kayalık ötegezegen üzerinde yüksek çözünürlüklü bir Webb spektrometresi eğitecekler.

Dünya’nın güneşe çok daha yakın olduğunu hayal edin. O kadar yakın ki, bütün bir yıl sadece birkaç saat sürecek. O kadar yakın ki yerçekimi bir yarıküreyi kavurucu gün ışığına ve diğerini sonsuz karanlığa kilitledi. O kadar yakın ki, okyanuslar kaynar, kayalar erimeye başlar ve lavlar bulutlardan aşağı yağar.

Güneş sistemimizde bunun gibi bir şey olmasa da, bunun gibi gezegenler – kayalık, Dünya büyüklüğünde, aşırı sıcak ve yıldızlarına yakın – güneş sistemimizde nadir değildir.[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? NASA’s James Webb Space Telescope is about to provide some answers.

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] Bileşenlerini algılamak ve tanımlamak için hassasiyet ve dalga boyu aralığına sahiptir.”

Yoksa 55 Cancri E’de akşam lav mı yağıyor?

Ancak bir başka ilginç olasılık da 55 Cancri e’nin bezel kilitli olmaması. Alternatif olarak, iki yörünge başına üç kez dönen Merkür gibi olabilir (3:2 rezonans olarak bilinir). Sonuç olarak, gezegen bir gece ve gündüz döngüsüne sahip olacak.

Stockholm Üniversitesi’nden araştırmacı ve gezegeni inceleyen başka bir ekibe liderlik eden Alexis Brandecker, “Bu, gezegenin daha sıcak kısmının neden döndüğünü açıklayabilir” dedi. “Tıpkı Dünya’da olduğu gibi, yüzeyin ısınması zaman alacak. Günün en sıcak zamanı öğlen değil, öğleden sonra olacak.”

Webb’in Orta Kızılötesi Enstrümanı ile ölçüldüğü gibi, süper Dünya sıcak ötegezegeni LHS 3844 b’nin ısı potansiyeli emisyon spektrumu. Termal emisyon spektrumu, gezegen tarafından yayılan farklı kızılötesi dalga boylarındaki (renklerdeki) ışık miktarını gösterir. Araştırmacılar, bir atmosferin olup olmadığı ve gezegenin yüzeyinin neyden yapıldığı gibi belirli koşulları varsayarsak, bir gezegenin ısı emisyon spektrumunun nasıl görüneceğini tahmin etmek için bilgisayar modellerini kullanırlar.
Bu özel simülasyon, LHS 3844 b’nin atmosferi olmadığını ve gündüz tarafının koyu renkli magmatik kayalar bazalt ile kaplı olduğunu varsayar. (Bazalt, güneş sistemimizdeki en yaygın magmatik kayadır ve Hawaii gibi volkanik adaları ve Dünya’nın okyanus tabanının çoğunu ve ayrıca Ay ve Mars yüzeylerinin büyük bölümlerini oluşturur.)
Karşılaştırma için, gri çizgi, laboratuvar ölçümlerine dayanan tipik bir bazaltik kayaç spektrumunu temsil eder. Pembe çizgi, Dünya kıtalarında bulunan en yaygın magmatik kaya olan granit spektrumudur. İki kayaç çok farklı spektrumlara sahiptir çünkü farklı miktarlarda farklı dalga boylarında ışık emen ve yayan farklı minerallerden yapılmıştır.
Webb gezegeni tespit ettikten sonra, araştırmacılar gezegenin yüzeyinin neyden yapıldığını görmek için bunun gibi farklı türdeki kayaların gerçek model spektrumlarını karşılaştıracaklar.
Kaynak: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL)

Brandeker’in ekibi, 55 Cancri e’nin aydınlatılmış tarafından dört farklı yörünge aracılığıyla yayılan ısıyı ölçmek için NIRCam kullanarak bu hipotezi test etmeyi planlıyor. Bir gezegenin 3:2 rezonansa sahip olması durumunda, her yarım küreyi iki kez gözlemleyecek ve iki yarım küre arasındaki herhangi bir farkı tespit edebilmelidir.

Bu senaryoda, yüzey gün boyunca ısınacak, eriyecek ve hatta buharlaşacak ve Webb’in algılayabileceği son derece ince bir atmosfer oluşturacaktır. Akşamları, buhar soğur ve yoğunlaşarak yüzeye geri yağacak lav damlaları oluşturur ve akşama doğru tekrar katı hale döner.

Biraz daha soğuk Super Earth LHS 3844 b

55 Cancri e, lavlarla kaplı bir dünyanın garip jeolojisine dair fikir verirken, LHS 3844 B Sert kayaları analiz etmek için eşsiz bir fırsat sağlar.[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.