Egy kutatócsoport a NASA James Webb-űrtávcsövének adataiból kimutatta, hogy a Földtől 41 fényévnyi távolságban lévő 55 Cancri e nevű, forró kőzetbolygót valószínűleg egy gázokból álló légkör veszi körül. Mindmáig ez a Naprendszerünkhöz legközelebbi olyan kőzet exobolygó, amelynek sikerült kimutatni a légkörét. Ezt az izgalmas és megdöbbentő eredményt Renyu Hu és munkatársai publikálták az igen rangos, Nature című szakfolyóiratban.

A szuperforró szuperföld: az 55 Cancri e

Az 55 Cancri e, vagy más néven a Janssen a Rák csillagképben található, 55 Cancri elnevezésű csillag körül keringő 5 bolygó egyike. Ez a bolygó a Földnél kétszer nagyobb átmérőjével, és valamelyest nagyobb átlagsűrűségével az exobolygók szuperföld nevű alosztályába sorolható: mérete a Föld és a Neptunusz közötti, valószínűsített összetétele pedig a Naprendszer kőzetbolygóihoz hasonló.

Az 51 Cancri e művészi ábrázolása. (Forrás: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Megjegyzendő azonban, hogy a kőzetbolygó elnevezés megtévesztő lehet az 55 Cancri e esetén, a bolygó ugyanis rendkívül közel kering a rendszer központi csillagához: a csillag és az e jelű bolygó távolsága akkora, mint a Merkúr-Nap távolság 1/25 része. Ennek megfelelően a bolygó felszínét túlnyomórészt bugyborékoló olvadt magmaóceánok alkotják. A központi csillaghoz való közelség az 55 Cancri e esetén kötött keringést is eredményez, tehát a bolygónak mindig egy adott oldala fordul a csillag felé, a másik oldalán pedig örök sötétség uralkodik.

Noha a bolygót már 2011-ben felfedezték, és azóta több mérés is készült róla, mindmáig nem sikerült eléggé mélyrehatóan megvizsgálni ahhoz, hogy megválaszolhassuk azt a kérdést, hogy vajon van-e légköre annak ellenére, hogy igen közel kering csillagához, és hogy a csillagból folyamatosan csillagszélrészecskék áramolnak ki felé.

„Több mint 10 éve foglalkozom az 55 Cancri e-vel.” – mondta Diana Dagomir exobolygó-kutató. –”Rendkívül frusztrálónak találtam, hogy mindeddig egyetlen mérés sem volt elegendő ahhoz, hogy megoldja a bolygót övező rejtélyt. Most szinte úszom a boldogságban, hogy végre sikerült válaszokat találnunk a kérdéseinkre.”

A gázokból álló óriás exobolygók körül viszonylag könnyű kimutatni a légkör jelenlétét, a kőzetbolygókat körülölelő vékony és sűrű atmoszféra létezésének bizonyítása azonban jóval nagyobb kihívást jelent.

Korábbi tanulmányok szerint, amelyeket a NASA Spitzer-űrtávcsövének adataira alapoznak, az 55 Cancri e színképe gazdag a földi légkörben előforduló, illékony anyagokban, például oxigénben, nitrogénben, illetve szén-dioxidban. Az azonban, hogy milyen fizikai folyamat hozta létre ezeket az elemeket, többféle elmélettel is megmagyarázható: a légkör létezése mellett az is lehetséges, hogy a detektált molekulák a bolygó forró felszínén lévő kőzetek kipárolgása során jöttek létre. Hogy a forgatókönyvek közül melyik helytálló az 55 Cancri e esetében, mindeddig homály fedte.

Az infravörös színváltozás kimérése

A kutatócsoport a James Webb-űrtávcső NIRCam nevű, közeli infravörös, és MIRI nevű, közép-infravörös kamerájának felvételeit használta, hogy kiválassza az 55 Cancri e megfigyeléseihez jobban illeszkedő forgatókönyvet. Bár a James Webb-űrtávcső sem tud közvetlen képet alkotni a bolygóról, képes precízen kimérni azt a fényességváltozást, amelyet a bolygónak a csillag előtt, illetve mögött történő elhaladása okoz.

A csillag fényességváltozása, amint a körülötte keringő bolygó elhalad mögötte. (Forrás: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL).)

Ilyen módon a kutatóknak sikerült kiszámolniuk a bolygó nappali oldaláról érkező infravörös sugárzást. Ezt a módszert már egyéb exobolygók, például a híres TRAPPIST-1 b esetében is alkalmazták a tudósok a légkör lehetséges jelenlétének kimutatására.

A bolygó hidegebb a vártnál

Az első jel, amely arra mutatott, hogy az 55 Cancri e körül vastag légkör lehet, a bolygó által az infravörös tartományban kibocsátott hőmérsékleti sugárzás volt. Ha a bolygót sötét, olvadt kőzetek borítják, amelyek kipárolgása önmagában csupán egy vékony atmoszférát von az égitest köré, a nappali oldal hőmérsékletének körülbelül 2200 °C-osnak kéne lennie. Ezzel ellentétben azonban a MIRI mérései ennél jóval alacsonyabb hőmérsékletet, körülbelül 1540 °C-ot mértek. Ez pedig arra utal, hogy a bolygót egy kiterjedt, illékony gázokban gazdag légkör veszi körül, amely a nappali oldalról jelentős mennyiségű hőt képes átszállítani az éjszakai oldalra. A lávafolyamok jelenlétének is lenne némi hőszabályozó hatása, azonban nem olyan nagymértékű, mint amit az 55 Cancri e esetén megfigyelhetünk.

A kutatócsoport a NIRCam adatok vizsgálata után még inkább biztossá vált abban, hogy a bolygót légkör veszi körül, a mért színképekben ugyanis sikerült azonosítaniuk a szén-monoxid és a szén-dioxid jellegzetes abszorpciós vonalait, amelyek egészen biztosan nem származhatnak az olvadt kőzetanyag kipárolgásából.

A szén-dioxid és/vagy a szén-monoxid abszorpciós vonalai az 55 Cancri e infravörös színképében. (Forrás: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL), Michael Zhang (University of Chicago), Mantas Zilinskas (SRON).)

Bugyborékoló magmaóceánok

A tudósok szerint az 55 Cancri e-nek a keletkezésekor még nem volt légköre, hanem nagy valószínűséggel a bolygó belsejében zajló fizikai folyamatok hatására jött létre.

„Az elsődleges légkör már biztosan régen elpárolgott volna a csillagból érkező forró sugárzás hatására.” – nyilatkozta a kutatás egy társszerzője. – „A bolygó jelenlegi atmoszférája valószínűleg egy másodlagos légkör, amelyet folyamatosan táplálnak a felszínen hullámzó magmaóceánok. A magma ugyanis nemcsak olvadt kőzetekből áll, hanem rengeteg, oldott állapotú gázt is tartalmaz.”

Noha az 55 Cancri e túlságosan forró ahhoz, hogy lakható legyen, vizsgálata egyedi lehetőséget biztosít arra, hogy megvizsgálhassuk a kölcsönhatásokat egy kőzetbolygó légköre, felszíne és belseje között, és ezáltal betekintést nyerjünk a Föld, a Vénusz és a Mars fejlődésének korábbi időszakaiba. Végső soron az 55 Cancri e-n zajló folyamatok mélyebb megértésével arra a kérdésre is választ kaphatunk, hogy milyen feltételek szükségesek ahhoz, hogy egy kőzetbolygónak gázokban gazdag, vastag légköre legyen, amely elengedhetetlen a bolygó lakhatóságához.

A cikk forrása: https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2024/news-2024-102