Когда в июле 2022 года JWST активировал свои проникающие инфракрасные глаза, он столкнулся с огромным списком целей, составленным нетерпеливым международным астрономическим сообществом. В списке были далекие ранние галактики, зарождающиеся планеты, формирующиеся в пылевых дисках, а также конец темных веков Вселенной и ее первый свет. Но в списке были и экзопланеты, и тысячи из них манили к изучению. Но выделялась одна далекая солнечная система: HR 8799, система, находящаяся примерно в 133 световых годах от нас. Почему эта система лучше других? 15 лет назад астрономы обнаружили три экзопланеты, вращающиеся вокруг звезды. Вскоре после того, как они объявили о четвертом, все они были обнаружены с помощью прямой визуализации. Все это массивные планеты на широких орбитах, что встречается редко. Система HR 8799 тоже молодая, еще один важный момент. Важен и тот факт, что они были открыты 15 лет назад; это означает, что у нас есть наблюдения за этими планетами, которые охватывают длительный период времени. Этот тип данных имеет решающее значение для понимания других солнечных систем, поскольку продолжительность данных рисует более полную картину.
Однако это также ставит больше вопросов и разжигает наш аппетит к большему количеству ответов. Вот почему JWST недавно наблюдал за этой системой. Его инструмент MIRI и коронограф могут выполнять высококонтрастную визуализацию, необходимую для лучшего понимания системы. В новой статье представлены результаты этих наблюдений. Его название: «Обнаружение изображений внутреннего пылевого пояса и четырех экзопланет в системе HR 8799 с помощью коронографа MIRI компании JWST». Он появится в журнале «Астрономия и астрофизика» и в настоящее время размещен на сервере препринтов arXiv. Ведущий автор — Энтони Боккалетти из LESIA Парижской обсерватории, Франция. HR 8799 в 1,5 раза массивнее Солнца и почти в пять раз ярче. Он также окружен диском обломков, и ему всего около 30 миллионов лет. Молодые солнечные системы важны, потому что они могут раскрыть сложные детали формирования планет, а это одна из вещей, на которых был создан JWST. Четыре планеты — HR 8799 b, c, d и e. Все это массивные планеты с массой от 5,7 до 9,1 массы Юпитера, чуть ниже точки, где происходит синтез дейтерия, что делает их коричневыми карликами.
Они располагаются на расстоянии от 16 до 71 астрономической единицы от звезды и имеют орбиты от 45 до 460 лет. Все четыре из них имеют радиус около 1,2 радиуса Юпитера. Массивные планеты-гиганты, движущиеся по орбитам более 5 а.е., встречаются редко. Поэтому каждый экземпляр этих типов планет важен. Высококонтрастная визуализация MIRI может открыть новое окно в этих типах систем и позволить ученым более полно охарактеризовать их. До сих пор наблюдения за системой в среднем инфракрасном диапазоне были затруднены. Мало того, угловое разрешение JWST делает наблюдения еще более точными. «В целом, MIRI-изображения системы HR 8799 дают совершенно иное видение, чем в ближнем ИК-диапазоне, с четким обнаружением четырех планет вместе с локализованным, но расширенным центральным излучением», — пишут авторы. JWST смог уточнить то, что мы уже знаем о некоторых аспектах этой системы. Основная цель этой работы заключалась в том, чтобы лучше охарактеризовать планетные атмосферы.
Хотя существовала некоторая неопределенность относительно природы планет и того, являются ли они коричневыми карликами, наблюдения JWST опровергли эту идею. «Их цвета указывают на то, что эти четыре планеты-гиганта отличаются от полевых коричневых карликов», — пишут авторы. Их температуры колеблются от 900 К до 1300 К, при этом HR 8799 b тусклее и холоднее. Измерения JWST показывают, что температура планеты B ниже, чем показали предыдущие наблюдения, что указывает на большую мощность телескопа. MIRI также однозначно идентифицировал два атмосферных химических вещества: H2O и CO. Авторы говорят, что обнаружение метана является спорным, и это является дополнительным доказательством того, что это планеты, а не коричневые карлики. Коричневые карлики всегда имеют признаки метана при таких температурах.
Инструмент MIRI JWST был построен с различными фильтрами. Частично они были разработаны для исследования присутствия аммиака, который является твердой биосигнатурой на планетах земной группы. К сожалению, эти четыре планеты слишком горячие, чтобы аммиак мог выделяться. «В результате текущие данные не позволяют сделать вывод об обнаружении аммиачных элементов на планетах HR 8799», — говорится в документе. Если бы он обнаружил аммиак, это стало бы заголовком новостей. Система HR 8799 также примечательна своим мусорным диском. Необычно то, что у него два ремня. Исследователи задались вопросом, был ли внутренний край внешнего пояса образован пятой планетой с массой между массами Юпитера и Сатурна. Другие думали, что это может быть комок пыли. Но JWST показывает, что это фоновый объект, и, похоже, дискуссия закончилась. «Благодаря новым данным, отстоящим на 4,44 года от предыдущего обнаружения, мы теперь можем с уверенностью заключить, что это фоновый объект», — пишут авторы. Это был первый взгляд JWST на молодую экзопланетную систему с помощью инструмента MIRI, включая фильтры и коронограф.
«Прибор MIRI на борту JWST теперь обеспечивает возможность получения высококонтрастных изображений в среднем ИК-диапазоне, тем самым открывая совершенно новую область исследований для характеристики молодых экзопланетных систем», — объясняют авторы. Таким образом, основная цель работы заключалась в проверке наблюдений и различных алгоритмов, чтобы определить, как лучше всего использовать их в будущей работе и как интерпретировать результаты. Например, успешное измерение потока планеты означает учет того, как коронограф ослабляет изображения в зависимости от положения планеты. Эти наблюдения способствуют более эффективному использованию инструмента. По иронии судьбы, коронограф MIRI может быть настолько чувствительным, что понимание его изображений молодых звездных систем может оказаться сложной задачей. Использование инструмента находится только в зачаточном состоянии, и чрезвычайная чувствительность коронографов «может сделать обнаружение и интерпретацию наблюдений молодых систем очень сложными, не говоря уже о путанице, связанной с фоновыми галактиками», пишут авторы. Авторы отмечают, что еще есть возможности для улучшения, и эти результаты приведут только к улучшению будущих результатов.
