Forskare som använder NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop kan ha upptäckt en atmosfär som omger 55 Cancri e, en stenig exoplanet 41 ljusår från jorden. Detta är det bästa beviset hittills för en stenig planetatmosfär utanför vårt solsystem. Brice-Olivier Demory, professor i astrofysik vid universitetet i Bern och medlem av National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, var en del av det internationella forskarteam som just publicerade resultaten i Nature .
55 Cancri e är en av fem kända planeter som kretsar kring en solliknande stjärna i stjärnbilden Kräftan. Med en diameter som är nästan dubbelt så stor som jorden och en densitet som är något större, klassificeras planeten som en superjord:större än jorden, mindre än Neptunus och liknande till klippplaneterna i vårt solsystem.
Brice-Olivier Demory från Center for Space and Habitability CSH vid University of Bern och medlem av NCCR PlanetS är medförfattare till studien. Han säger, "55 Cancri e är en av de mest gåtfulla exoplaneterna. Trots enorma mängder observationstid som erhållits med ett dussin mark- och rymdanläggningar under det senaste decenniet, har dess natur förblivit svårfångad fram till idag, då delar av pusslet kunde äntligen sättas ihop tack vare James Webb Space Telescope (JWST)".
Oväntat visar dessa observationer att det kan vara möjligt för en het och starkt bestrålad stenplanet att upprätthålla en gasatmosfär, och bådar gott för JWST:s förmåga att karakterisera kallare – potentiellt beboeliga – stenplaneter som kretsar kring solliknande stjärnor.
Renyu Hu från NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) ledde laget. "JWST driver verkligen gränserna för exoplanetkarakterisering till steniga exoplaneter," sa Hu. "Det möjliggör verkligen en ny typ av vetenskap."
Demory blev inbjuden till forskningsprogrammet av Hu som var en av hans kollegor när han var vid Massachusetts Institute of Technology (MIT). Demory har studerat 55 Cancri e sedan början av sin karriär. "Som postdoc vid MIT ledde jag upptäckten av den första transiteringen av 55 Cancri e, och 2016 publicerade mitt team den första kartan över en stenig exoplanet, som var 55 Cancri e." Resultatet 2016 antydde redan en möjlig närvaro av en atmosfär runt 55 Cancri e.
För den aktuella studien genomförde Demory en oberoende analys av JWST-datauppsättningen. Han förklarar, "Under de senaste två åren har rymdteleskopet CHEOPS, som har utvecklats och byggts vid universitetet i Bern, varit nyckeln till att lösa flera frågor som astrofysiker hade omkring 55 Cancri e. JWST kompletterade denna bild vid infraröda våglängder genom att visa att superjorden 55 Cancri e kan vara omgiven av en atmosfär med en sammansättning som överensstämmer med kolmonoxid eller koldioxid."
Superhet superjord och fortfarande svalare än väntat
Även om 55 Cancri e till sin sammansättning liknar stenplaneterna i vårt solsystem, kan en beskrivning av den som "stenig" lämna fel intryck. Planeten kretsar så nära sin stjärna (en hel omloppsbana varar 18 timmar, jämfört med de 365 dagarna på vår jord) att dess yta måste vara smält – ett djupt, bubblande hav av magma. Med en så snäv omloppsbana är planeten sannolikt också tidvattenlåst, med en dagsida som alltid är vänd mot stjärnan och en nattsida i evigt mörker. "Planeten är så varm att en del av den smälta stenen borde avdunsta", förklarade Hu.
Även om JWST inte kan fånga en direkt bild av 55 Cancri e, kan den mäta subtila förändringar i ljuset från systemet när planeten kretsar runt stjärnan. Teamet använde JWST:s NIRCam (Near-Infrared Camera) och MIRI (Mid-Infrared Instrument) för att mäta infrarött ljus som kommer från planeten.
Genom att subtrahera ljusstyrkan under den sekundära förmörkelsen, när planeten är bakom stjärnan (endast stjärnljus), från ljusstyrkan när planeten är precis bredvid stjärnan (ljus från stjärnan och planeten kombinerat), kunde teamet beräkna mängden av infrarött ljus som kommer från planetens dagsida vid flera våglängder samtidigt.
Den första indikationen på att 55 Cancri e kunde ha en betydande atmosfär kom från temperaturmätningar baserade på dess termiska emission, eller värmeenergi som avges i form av infrarött ljus. Om planeten är täckt av mörk smält sten med en tunn slöja av förångad sten eller ingen atmosfär alls, bör dagsidan vara runt 2200 grader Celsius.
"Istället visade MIRI-data en relativt låg temperatur på cirka 1500 grader Celsius," sa Hu. "Detta är en mycket stark indikation på att energi distribueras från dagsidan till nattsidan, troligen genom en flyktig atmosfär."
Medan strömmar av lava kan transportera en del värme till nattsidan, kan de inte flytta den tillräckligt effektivt för att förklara kyleffekten. Faktum är att dagsidan ser flera hundra grader svalare ut än den borde, även om värmen sprids jämnt runt planeten. Detta är vettigt om en del av det infraröda ljuset som sänds ut av ytan absorberas av atmosfären och aldrig når teleskopet.
Teamet tror att gaserna som täcker 55 Cancri e bubblar ut från det inre. Den primära atmosfären skulle vara borta sedan länge på grund av den höga temperaturen och den intensiva strålningen från stjärnan.
Detta skulle vara en sekundär atmosfär som kontinuerligt fylls på av magmahavet. Magma är inte bara kristaller och flytande sten, det finns mycket löst gas i den också.
Även om 55 Cancri e är alldeles för varmt för att vara beboeligt, kan det ge ett unikt fönster för att studera växelverkan mellan atmosfärer, ytor och interiörer av steniga planeter, och kanske ge insikter om den tidiga jorden, Venus och Mars, som man tror har haft varit täckt av magmahav långt tidigare. "I slutändan vill vi förstå vilka förhållanden som gör det möjligt för en stenig planet att upprätthålla en gasrik atmosfär:nyckelingrediensen för en beboelig planet", säger Hu.
Mer information: Renyu Hu et al, En sekundär atmosfär på den steniga exoplaneten 55 Cancri e, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07432-x
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Bern
