Космический телескоп Джеймса Уэбба сделал впечатляющий снимок новорожденной планеты.

Если бы в качестве репрезентативной области современной астрономии была выбрана одна область исследований, это, несомненно, был бы поиск экзопланет с конечной целью найти жизнь на одной из них или даже, почему бы и нет, «вторую Землю». Все эти далекие миры (около шести тысяч на момент написания статьи) также предлагают огромный объем информации о сложных механизмах, которые управляют образованием планетных систем, включая нашу собственную. На протяжении десятилетий обнаружение этих неуловимых небесных тел было геркулесовой задачей, но прибытие космического телескопа Джеймса Уэбба четыре года назад ознаменовало поворотный момент. И теперь, несмотря на то, что телескоп уже открыл другие экзопланеты в 2022 , 2023 и 2024 годах , Джеймс Уэбб только что получил исключительное прямое изображение молодой экзопланеты, встроенной в диск обломков, окружающий новорожденную звезду. Это прямое изображение самой маленькой экзопланеты, обнаруженной на данный момент с помощью этой техники.

Открытие, сделанное французским астрономом Анн-Мари Лагранж из CNRS в обсерватории Paris-PSL в сотрудничестве с Университетом Гренобль-Альпы и недавно опубликованное в Nature , является еще одним примером, казалось бы, безграничных возможностей космического телескопа. Названная TWA 7 b, новая планета является самой маломассивной планетой, наблюдаемой с помощью прямых изображений на сегодняшний день, достижение, которое представляет собой важный шаг вперед в обнаружении и характеристике все более мелких и, следовательно, более похожих на Землю миров.

Но почему прямое получение изображений экзопланеты так необычайно сложно? Ответ кроется в интенсивном свете звезд и малых размерах планет по сравнению с ними. Прямое наблюдение за экзопланетой было бы похоже на попытку увидеть светлячка, танцующего вокруг маяка в нескольких километрах от нас. Маяк — это звезда: ее яркость настолько ошеломляющая, что она полностью заглушает слабый свет любых планет, вращающихся вокруг нее. Вот почему подавляющее большинство экзопланет, открытых до сих пор, были обнаружены косвенными методами, такими как транзит (когда планета проходит перед своей звездой, вызывая небольшое затемнение ее света) или лучевая скорость (которая измеряет «гравитационное колебание», которое планета вызывает у своей звезды-хозяина).

Однако эти методы не дают истинного изображения планеты. Это то, что делает прямая визуализация, которая стремится захватить собственный свет планеты, либо отраженный от ее звезды, либо, что более распространено, ее собственное остаточное тепло, которое можно наблюдать в инфракрасном диапазоне.

И вот тут-то в игру вступают необычайные инфракрасные возможности Джеймса Уэбба. Чтобы преодолеть проблему звездообразования, Лагранж и его коллеги использовали новый коронограф (сделанный во Франции), установленный на Среднеинфракрасном приборе телескопа (MIRI), мощном инфракрасном детекторе. Так же, как во время полного солнечного затмения Луна блокирует свой свет и позволяет ученым изучать ее в противном случае невидимую атмосферу (корону), коронограф по сути является непрозрачным диском или маской, помещаемой на телескоп, чтобы блокировать свет от далекой звезды во время наблюдения за ней. Этот маневр позволяет инфракрасному инструменту обнаруживать гораздо более слабый свет от объектов, близких к звезде, таких как экзопланеты или диски мусора.

Однако коронограф MIRI на Уэббе — это не просто тарелка, а множество передовых технологий, включая коронограф типа Лио и три коронографа с четырехквадрантной фазовой маской (4QPM). Эти маски позволяют использовать гораздо меньший «внутренний рабочий угол». Это означает, что они могут блокировать свет звезды на очень близких угловых расстояниях, что позволяет наблюдать планеты, вращающиеся гораздо ближе к своей звезде, чем это было возможно ранее.

Процесс наблюдения с помощью коронографа MIRI чрезвычайно скрупулезен. После блокировки большей части звездного света все еще остаются следы отраженного света, которые могут мешать наблюдениям. Чтобы устранить этот остаточный свет и получить более четкое изображение экзопланеты, астрономы используют технику «вычитания опорной звезды». Она включает наблюдение за близлежащей опорной звездой без планет с использованием точно такой же конфигурации инструмента. Вычитая изображение опорной звезды из изображения целевой звезды (той, у которой есть экзопланета), исследователи могут изолировать слабый сигнал от планеты.

Как будто этого было недостаточно, Уэбб также использует технику, называемую Angular Differential Imaging (ADI), которая заключается в небольшом вращении телескопа во время наблюдения. Это заставляет планету двигаться в поле зрения, в то время как остаточные световые узоры телескопа остаются статичными, что облегчает их последующее устранение. Благодаря сочетанию этих методов телескоп может обнаруживать объекты, которые в миллион раз слабее самой звезды.

Авторы исследования сосредоточили свое внимание на целях, которые казались наиболее подходящими для прямой визуализации. Это были молодые системы, возрастом всего несколько миллионов лет, которые можно было наблюдать «с полюса» (т. е. их диски можно было увидеть «сверху»), что очень важно, поскольку недавно сформированные планеты в этих дисках все еще горячие и, следовательно, излучают больше инфракрасного света, что делает их «ярче» для инструментов Уэбба, чем были бы старые, более холодные планеты.

Среди нескольких дисков, которые можно было наблюдать лицом к лицу, два особенно привлекли внимание исследователей, поскольку предыдущие наблюдения уже выявили внутри них концентрические кольцеобразные структуры. Это привело к подозрению, что эти структуры были результатом гравитационного взаимодействия между неопознанными планетами и небольшими каменистыми и ледяными телами («планетезималями»), предшественниками планет, которые сталкиваются и слипаются в протопланетные диски. Одна из этих систем, называемая TWA 7, выделялась среди других благодаря своим трем четко различимым кольцам, одно из которых особенно узкое и окружено двумя пустыми областями, в которых почти нет материи.

Изображение, полученное Джеймсом Уэббом, выявило источник инфракрасного света прямо в центре узкого кольца. После тщательного исключения возможности наблюдательных ошибок (таких как наличие фоновой звезды или артефакта прибора) Лагранж и его команда пришли к выводу, что это, скорее всего, экзопланета. Детальное моделирование подтвердило гипотезу: планета с предполагаемой массой и положением действительно могла создать тонкое кольцо и «разрыв» именно там, где она наблюдалась.

Новая экзопланета, получившая название TWA 7 b, является действительно легкой по сравнению с гигантскими мирами, которые были напрямую сфотографированы до сих пор. Фактически, она в десять раз легче, чем ранее напрямую сфотографированные экзопланеты. Ее масса, сопоставимая с массой Сатурна, составляет примерно 30% от массы Юпитера, самой массивной планеты в нашей Солнечной системе. Это означает, что, хотя TWA 7 b все еще является газовым гигантом, она значительно менее массивна, чем многие из «горячих юпитеров» или «суперюпитеров», которые доминировали в списках напрямую сфотографированных экзопланет. Например, такие системы, как HR 8799, в которой находятся четыре напрямую сфотографированных гигантских планеты (первая из которых, Beta Pictoris b, была открыта в 2008 году), значительно массивнее, чем TWA 7 b. Даже Эпсилон Инди Ab , открытая в 2024 году самим Уэббом с помощью его инструмента MIRI и являющаяся одной из самых холодных экзопланет, чьи прямые изображения у нас есть, имеет массу в несколько раз больше массы Юпитера.

Таким образом, новый результат знаменует собой новый этап в обнаружении все более мелких экзопланет с помощью прямой визуализации. Миры, которые больше похожи на Землю, чем на газовых гигантов в нашей собственной Солнечной системе. Хотя TWA 7 b не является «суперземлей», ее масса примерно в 0,3 раза больше массы Юпитера (примерно в 100 раз больше массы Земли) помещает ее в значительно более низкий диапазон, чем гиганты, ранее обнаруженные с использованием того же метода.

Однако пределы возможностей космического телескопа Джеймса Уэбба еще не достигнуты. Фактически, ученые надеются сделать снимки планет, масса которых составляет всего 10% от массы Юпитера, а значит, даже ближе к массе Земли. К этому следует добавить новые возможности, которые будут иметь будущие поколения телескопов, специально разработанных для поиска экзопланет. Неудивительно, что у астрономов уже есть список наиболее перспективных систем для этих будущих наблюдений.