Telescopul Webb descoperă o atmosferă „imposibilă” în jurul super-Pământului ultrafogat TOI-561 b

Sursa foto: Sciencedaily

Un „lume de lavă” înveșmântată într-un strat gros de gaz

O planetă stâncoasă, atât de fierbinte încât, până recent, oamenii de știință au considerat-o prea extremă pentru a reține o atmosferă, arată acum semne clare că este învăluită de un strat relativ dens de gaze. Observațiile realizate cu ajutorul Telescopului Spațial James Webb (JWST) indică faptul că TOI-561 b — un super-Pământ antic, care orbitează foarte aproape de steaua sa — prezintă temperaturi pe partea îndreptată spre stea mult mai scăzute decât ar fi de așteptat pentru o planetă complet goală, sugerând prezența unei atmosfere care redistribuie căldura.

Un an care durează puțin peste 10 ore și un comportament neașteptat

TOI-561 b are o masă de aproximativ de două ori cea a Pământului, însă se deosebește profund în rest: orbitează la o distanță de steaua sa egală cu aproximativ o patruzeci din distanța dintre Mercur și Soare. Deși steaua este puțin mai mică și mai rece decât Soarele nostru, proximitatea extremă a planetei determină un an ce se încheie în doar 10,56 ore. Din cauza rotației sincrone, o parte a planetei rămâne permanent orientată spre stea, aflandu-se în lumina eternă zilei.

Conform înțelegerii convenționale despre planetele cu perioade ultra-scurte, un corp mic și expus la călduri extreme ar fi trebuit să-și piardă rapid orice înveliș gazos. Însă observațiile efectuate de o echipă condusă de cercetători de la Carnegie arată contrariul. Nicole Wallack, membră a echipei, semnalează că datele „răstoarnă înțelegerea convențională despre planetele cu perioade ultra-scurte”.

Un indiciu în densitate: compoziție neobișnuită sau atmosferă extinsă?

Un alt indiciu care susține ideea unei atmosfere provine din estimările densității planetei. TOI-561 b are o densitate mai mică decât cea pe care am vedea-o la un corp cu o compoziție asemănătoare Pământului. Johanna Teske, autoarea principală a studiului, subliniază că, deși planeta nu este ceea ce se numește un „super-puf” (un corp extrem de puțin dens), densitatea sa este totuși mai scăzută decât ar sugera o structură tipic pământeană.

Echipa a analizat posibilitatea ca structura internă a planetei să explice această discrepanță. O ipoteză este că TOI-561 b ar putea avea un miez de fier mai mic și o manta alcătuită din tipuri de rocă mai ușoare comparativ cu Pământul, o consecință probabilă a faptului că planeta s-a format în jurul unei stele dintr-un mediu chimic diferit — o stea relativ săracă în fier, care face parte din discul gros al Căii Lactee și care este de două ori mai bătrână decât Soarele.

Totuși, compoziția singură nu explică pe deplin toate observațiile, iar echipa a luat în considerare și alternativa ca o atmosferă substanțială să facă planeta să pară mai mare și, prin urmare, mai puțin densă.

Măsurători JWST: temperatura zilei dezvăluie o atmosferă ascunsă

Pentru a testa prezența unei atmosfere, oamenii de știință au folosit spectrograful din apropiul infraroșului al JWST, NIRSpec, pentru a măsura temperatura feței zilei a planetei prin observații în lumina apropiat infraroșie. Metoda monitorizează modificările luminii sistemului atunci când planeta trece în spatele stelei — o tehnică folosită anterior în studiul unor sisteme cum ar fi TRAPPIST-1.

Dacă TOI-561 b ar fi fost complet lipsită de atmosferă, temperatura părții sale zi ar fi trebuit să ajungă la aproximativ 4.900 grade Fahrenheit (2.700 grade Celsius). În schimb, măsurătorile JWST au arătat o temperatură mai mică, de aproximativ 3.200 grade Fahrenheit (1.800 grade Celsius). Diferența, deși planeta rămâne extrem de fierbinte, indică că o parte semnificativă a energiei termice este redistribuită, ceea ce sugerează prezența unui strat gazos care transportă căldura.

Vânturi, nori și o atmosferă bogată în materiale volatile

Pentru a explica temperatura observată, cercetătorii au evaluat mai multe mecanisme. Un ocean de rocă topită ar putea transfera o parte din căldură, însă fără o atmosferă eficientă, partea opusă stelei ar rămâne probabil solidă, limitând astfel schimbul termic. De asemenea, ar putea exista un strat subțire de vapori de rocă, dar acesta, de unul singur, nu ar oferi suficientă răcire.

Anjali Piette, coautoare a studiului, afirmă că este nevoie de „o atmosferă densă, bogată în materiale volatile” pentru a explica toate observațiile. Vânturile puternice ar putea transporta căldura de pe partea zilei pe partea nopții, iar gaze precum vaporii de apă ar absorbi anumite lungimi de undă din luminăa apropiat-infraroșie emisă de suprafață, astfel reducând fluxul detectat de telescop. În plus, este posibil să existe nori strălucitori de silicat care răcesc atmosfera reflectând radiația stelară.

Cu toate acestea, ideea unei atmosfere ridică o întrebare majoră: cum poate un corp expus la radiație intensă să păstreze gaze? O parte din material probabil se pierde în spațiu, dar ritmul de pierdere ar putea fi mai lent decât se aștepta.

„Bila de lavă udă”: o atmosferă reciclată cu alimentare din mantaua topită

Una dintre explicațiile propuse de cercetători este existența unui echilibru între oceanul magmatic superficial și atmosferă. Tim Lichtenberg explică ipoteza că gazele care ies din planetă pentru a hrăni atmosfera sunt absorbite parțial înapoi de oceanul de magmă, creând astfel un ciclu de alimentare și reînghițire. Acest mecanism ar necesita ca planeta să fie mult mai bogată în materiale volatile decât Pământul, ceea ce face ca descrierea de „bilă de lavă udă” să fie sugestivă.

Descoperirea sugerează un sistem dinamic în care interiorul topit și atmosfera se influențează reciproc, menținând un echilibru temporar care îi permite planetei să păstreze o cantitate semnificativă de gaze, în ciuda radiației puternice și a masei reduse.

Întrebări noi deschise de datele JWST

Autorii studiului subliniază că datele obținute deschid la rândul lor noi întrebări. Johanna Teske remarcă că „acest nou set de date stârnește mai multe întrebări decât răspunsuri” — o afirmație care reflectă natura inedită a observațiilor și complexitatea proceselor fizice și chimice implicate.

Observațiile realizate fac parte din Programul General Observers al JWST, proiectul 3860, care a monitorizat sistemul timp de peste 37 de ore, acoperind aproape patru orbite complete ale lui TOI-561 b. Echipa analizează acum întregul set de date pentru a cartografia modelele de temperatură de pe planetă și pentru a înțelege mai bine compoziția atmosferică.

Contextul cercetării Carnegie și perspectivele viitoare

Această lucrare continuă tradiția de implicare a cercetătorilor de la Carnegie în eforturile legate de JWST, participare care se întinde de la dezvoltarea timpurie a telescopului până la cicluri multiple de observații științifice. Michael Walter, director al Laboratorului pentru Pământ și Planete, subliniază că progresele facilitate de JWST sunt în linie cu punctele forte ale instituției în înțelegerea modului în care evoluția planetară modelează caracteristicile corpurilor exoplanetare.

Echipa anticipează că vor urma rezultate și mai multe descoperiri conduse de Carnegie în ciclurile următoare de observații JWST.

Detalii tehnice și echipa de autori

Articolul care prezintă descoperirea a fost publicat în The Astrophysical Journal Letters. Referința științifică este următoarea:

• Johanna K. Teske, Nicole L. Wallack, Anjali A. A. Piette, Lisa Dang, Tim Lichtenberg, Mykhaylo Plotnykov, Raymond Pierrehumbert, Emma Postolec, Samuel Boucher, Alex McGinty, Bo Peng, Diana Valencia, Mark Hammond. O atmosferă volatilă densă pe super-Pământul ultrafierbinte TOI-561 b. The Astrophysical Journal Letters, 2025; 995 (2): L39 DOI: 10.3847/2041-8213/ae0a4c

Observații și metodologie

Rezultatele se bazează în principal pe observațiile în apropiat-infraroșu efectuate cu NIRSpec, care au urmărit variațiile fluxului de lumină ale sistemului atunci când planeta trecea în spatele stelei. Această metodă a permis determinarea temperaturii feței zilei a planetei și compararea ei cu valorile așteptate pentru o planetă fără atmosferă, evidențiind discrepanța cheie care a condus la interpretarea existenței unei atmosfere dense.

Pe măsură ce analiza completă a datelor progresează, cercetătorii intenționează să cartografieze distribuția temperaturii pe întreaga planetă și să restrângă compoziția posibilă a atmosferei, căutând semnale care să confirme prezența moleculelor volatile propuse, cum ar fi vaporii de apă, și posibila existență a norilor de silicat.

Descoperirea lui TOI-561 b provoacă, totodată, o reevaluare a modului în care planetele foarte apropiate de stelele lor pot menține gaze și oferă un caz de studiu pentru interacțiunea dintre un ocean magmatic și o atmosferă reciclată.

Aceste rezultate subliniază puterea instrumentelor JWST de a deschide ferestre noi spre procese planetare extreme și indică faptul că arhitectura și chimia compozițională a sistemului în care o planetă a luat naștere pot influența în mod esențial evoluția sa termică și atmosferică.

Sursele și materialele asociate cu acest studiu includ descrierea de la Carnegie Institution for Science și lucrarea publicată în The Astrophysical Journal Letters; cercetătorii continuă analiza datelor pentru a obține o înțelegere mai detaliată a acestui „lume de lavă” neobișnuit.

Mai multe informații pot fi consultate pe pagina Carnegie dedicată studiului și în referința științifică originală: Pagina Carnegie Institution for Science și DOI: 10.3847/2041-8213/ae0a4c.