Przez lata Różowa Planeta wymykała się astronomom, skrywając swoją prawdziwą naturę za mglistą, różową poświatą. Dopiero Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odsłonił jej prawdziwą tajemnicę.
Przez ponad dziesięć lat ten odległy, spowity różową mgłą świat pozostawał jedną z najbardziej intrygujących zagadek dla astrofizyków. GJ504b, znany szerzej jako „Różowa Planeta”, był po prostu zbyt ciemny i zbyt chłodny, aby ziemskie instrumenty mogły dokładnie zbadać skład jego atmosfery.
Przełom przyniósł dopiero Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Najnowsze analizy wykazały, iż tamtejsze niebo kryje niezwykle egzotyczną chemię, w tym chmury składające się z soli. To pierwsze tak jednoznaczne potwierdzenie zjawiska, które teoretycy przewidzieli kilkanaście lat temu.
Kosmiczny piecyk na granicy dwóch światów
GJ504b został odkryty w 2013 r. i krąży wokół gwiazdy przypominającej nasze Słońce, oddalonej od Ziemi o około 57 lat świetlnych. Choć gwałtownie przylgnęła do niego medialna łatka planety, naukowcy do dziś mają problem z jego jednoznaczną klasyfikacją.
Obiekt charakteryzuje się masą około 25-krotnie większą od Jowisza, co plasuje go na samej granicy między gazowymi olbrzymami a brązowymi karłami, ciałami niebieskimi zbyt dużymi na planetę, ale zbyt małymi, by w ich wnętrzach mogły rozpocząć się stabilne reakcje termojądrowe.
To, co najbardziej wyróżnia GJ504b spośród innych bezpośrednio fotografowanych obiektów tego typu, to wyjątkowo niska temperatura. Większość planet pozasłonecznych, których obrazy udaje się zarejestrować, rozgrzana jest do temperatur rzędu kilkuset czy choćby ponad tysiąca stopni Celsjusza. Tymczasem na Różowej Planecie termometry wskazałyby około 290 stopni Celsjusza. To mniej więcej tyle, ile wynosi temperatura w mocno rozgrzanym piecu do pieczenia chleba.
Taki stan rzeczy bezpośrednio wynika z wieku tego systemu. Planety w momencie swoich narodzin są niezwykle gorące, jednak z upływem lat stopniowo oddają ciepło w przestrzeń kosmiczną. Zespół badawczy oszacował, iż GJ504b ma od 2,5 do 4 mld lat, co oznacza, iż zdążył już mocno ostygnąć. To właśnie to wychłodzenie sprawiło, iż obiekt stał się niemal niewidoczny dla tradycyjnych, ziemskich obserwatoriów.
Dwie godziny zamiast całej nocy bezowocnych prób
Międzynarodowymi badaniami, których wyniki opublikowano na łamach prestiżowego czasopisma The Astronomical Journal, kierował Aneesh Baburaj, naukowiec związany z Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) na Northwestern University.
Wcześniejsze próby analizy światła planety przy użyciu największych naziemnych teleskopów regularnie kończyły się niepowodzeniem. Astronomowie spędzali całe noce, próbując wyłuskać słabe widmo obiektu z oślepiającego blasku jego macierzystej gwiazdy. Ziemska atmosfera oraz ograniczenia techniczne sprawiały jednak, iż planeta pozostawała jedynie rozmytym punktem.
Dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) to karkołomne zadanie okazało się kwestią zaledwie dwugodzinnej sesji obserwacyjnej. Zespół Baburaja, współpracując z ekspertami ze Space Telescope Science Institute (STScI) pod wodzą Marshalla Perrina, wykorzystał zaawansowane algorytmy przetwarzania danych, aby cyfrowo odfiltrować blask gwiazdy centralnej.
Dzięki temu udało się zarejestrować czyste widmo optyczne towarzysza, graficzny zapis światła rozbitego na poszczególne długości fal, z których każda odpowiada konkretnym pierwiastkom i związkom chemicznym.
Kiedy modele matematyczne odmawiają posłuszeństwa
Uzyskane dane pokazały bogatą i zaskakującą mieszaninę gazów. W atmosferze GJ504b dostrzeżono wyraźne sygnatury pary wodnej, metanu, dwutlenku węgla oraz amoniaku. Aby zrekonstruować warunki panujące na planecie, badacze wprowadzili te parametry do zaawansowanych modeli astrofizycznych.
Wtedy pojawił się problem – standardowe symulacje komputerowe nijak nie chciały pasować do rzeczywistych obserwacji. Modelowana atmosfera wykazywała cechy, które z punktu widzenia fizyki i termodynamiki były po prostu niemożliwe do zaistnienia.
Analizowane widmo sugerowało, iż sygnały pochodzące z głębszych warstw gazowej otoczki są nienaturalnie tłumione. Naukowcy zdali sobie sprawę, iż w równaniach brakuje kluczowego elementu, który fizycznie przesłania wnętrze planety.
Tym elementem okazały się chmury. Zespół przetestował trzy różne rodzaje potencjalnego zachmurzenia, jednak to chmury składające się z cząsteczek soli okazały się idealnym wyjaśnieniem anomalii.
Słone niebo potwierdza stare teorie
Sól zawieszona w chłodnej atmosferze zadziałała jak filtr, który osłabił sygnatury molekuł ukrytych głębiej i ukształtował światło w taki sposób, w jaki zarejestrowały je instrumenty Webba. Po uwzględnieniu słonego zachmurzenia wyniki symulacji natychmiast stały się fizycznie prawdopodobne i spójne z wiedzą o chłodnych planetach.
Odkrycie to stanowi pierwszy bezpośredni dowód na istnienie tego typu chmur w atmosferze tak chłodnego ciała niebieskiego. Istnienie tego fenomenu przewidziano teoretycznie już ponad 15 lat temu, jednak dopiero teraz technologia pozwoliła na weryfikację hipotezy.
Analiza widma wykazała również, iż GJ504b jest niezwykle bogaty w pierwiastki ciężkie, określane w terminologii astronomicznej jako metale. To odkrycie nie rozwiązuje jednak wszystkich zagadek związanych z przeszłością tego obiektu.
Zebrane dane wciąż nie dają jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, jak Różowa Planeta powstała. Pod wieloma względami mogła uformować się jak klasyczna planeta w dysku pyłowym wokół gwiazdy, ale niewykluczone, iż narodziła się tak jak mała gwiazda, poprzez bezpośrednie zapadnięcie się grawitacyjne obłoku gazu.
Krok w stronę badania niewidocznych światów
Sukces zespołu z Northwestern University otwiera zupełnie nowy rozdział w badaniach ciał niebieskich o niskich temperaturach. Do tej pory nasza wiedza o chłodnych planetach gazowych opierała się głównie na obiektach z Układu Słonecznego.
Przykładowo, Jowisz posiada chmury złożone z lodu amoniakalnego, jednak bezpośrednie zaobserwowanie takich struktur na odległych egzoplanetach wciąż pozostaje poza zasięgiem współczesnej technologii.
Wykrycie słonych chmur na GJ504b pokazuje jednak, iż granica możliwości obserwacyjnych gwałtownie się przesuwa. Metodologia opracowana na potrzeby tego projektu posłuży teraz do analizy kolejnych, jeszcze ciemniejszych i chłodniejszych obiektów, które do tej pory pozostawały całkowicie niewidoczne dla ludzkich instrumentów.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po raz kolejny udowodnił, iż tam, gdzie ziemska astronomia napotyka ścianę, on dopiero zaczyna odkrywać najciekawsze karty.
