天の川の2つの興味深い「スーパーアース」の詳細を提供するウェッブ宇宙望遠鏡

惑星の現在の理解に基づいて、かに座55番星がどのように見えるかを示す図。 かに座55番星は、太陽のような星からわずか0.015天文単位を周回する、地球のほぼ2倍の直径を持つ岩石の惑星です。 軌道が狭いため、惑星は非常に暑く、日中の気温は華氏4,400度(摂氏約2,400度)に達します。 Webbの近赤外線カメラ(NIRCam)と中赤外線機器(MIRI)を使用した分光観測は、惑星に大気があるかどうか、ある場合はその大気が何でできているかを判断するのに役立ちます。 観測はまた、惑星がきちんとロックされているかどうかを判断するのに役立ちます。 クレジット:NASA、ESA、CSA、Dani Player(STScI)

天文学者は、2つの興味深い岩の太陽系外惑星でWebbの高精度分光器を訓練します。

地球がはるかに太陽に近いと想像してみてください。 非常に近いので、1年は数時間しか続きません。 重力が一方の半球を恒久的な灼熱の日光に、もう一方の半球を永遠の暗闇に閉じ込めているほど近くにあります。 海が沸騰し、岩が溶け始め、雲が溶岩を降らせるほど近くにあります。

私たち自身の太陽系にはこのようなものは存在しませんが、このような惑星は、岩が多く、ほぼ地球サイズで、非常に高温で、星に近いため、珍しいことではありません。[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? Exoplanet LHS 3844 b and Its Star

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Comparison of Exoplanets 55 Cancri e and LHS 3844 b to Earth and Neptune

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] それを検出し、それが何でできているかを判断するための感度と波長範囲を持っています」とHu氏は付け加えました。

それともかに座55番星の夕方に溶岩が降っていますか?

ただし、もう1つの興味深い可能性は、かに座55番星がきちんとロックされていないことです。 代わりに、それは水星のようであり、2つの軌道ごとに3回回転します(3:2共鳴として知られています)。 その結果、惑星は昼夜のサイクルを持つことになります。

「それは、惑星の最も暑い部分がシフトする理由を説明することができました」と、惑星を研究している別のチームを率いるストックホルム大学の研究者であるアレクシスブランデカーは説明しました。 「地球と同じように、表面が熱くなるまでには時間がかかります。 その日の最も暑い時間は、正午ではなく午後になるでしょう。」

太陽系外惑星LHS3844bの熱発光スペクトル

Webbの中赤外線機器によって測定された、高温のスーパーアース系外惑星LHS3844bの可能な熱放射スペクトル。 熱放射スペクトルは、惑星から放出されるさまざまな赤外線波長(色)の光の量を示します。 研究者は、コンピューターモデルを使用して、大気の有無や惑星の表面が何でできているかなど、特定の条件を想定した惑星の熱放射スペクトルがどのようになるかを予測します。
この特定のシミュレーションは、LHS 3844 bに大気がなく、昼側が暗い火山岩玄武岩で覆われていることを前提としています。 (玄武岩は私たちの太陽系で最も一般的な火山岩であり、ハワイや地球の海底の大部分、そして月や火星の表面の大部分のような火山島を構成しています。)
比較のために、灰色の線は実験室での測定に基づく玄武岩のモデルスペクトルを表しています。 ピンクの線は、地球の大陸で見られる最も一般的な火成岩である花崗岩のスペクトルです。 2種類の岩石は、異なる波長の光を吸収および放出する異なる鉱物でできているため、スペクトルが大きく異なります。
Webbが惑星を観察した後、研究者は実際のスペクトルをこれらのようなさまざまな種類の岩石のスペクトルと比較して、惑星の表面が何でできているかを理解します。
クレジット:NASA、ESA、CSA、Dani Player(STScI)、Laura Kreidberg(MPI-A)、Renyu Hu(NASA-JPL)

Brandekerのチームは、NIRCamを使用してこの仮説をテストし、かに座55番星の点灯側から4つの異なる軌道で放出される熱を測定​​することを計画しています。 惑星に3:2の共鳴がある場合、彼らは各半球を2回観察し、半球間の違いを検出できるはずです。

このシナリオでは、表面は日中に熱くなり、溶け、さらには蒸発し、Webbが検出できる非常に薄い大気を形成します。 夕方になると、蒸気は冷えて凝縮し、溶岩の液滴を形成します。溶岩は雨が降って地表に戻り、夜になると再び固まります。

やや涼しいスーパーアースLHS3844b

かに座55番星は溶岩で覆われた世界のエキゾチックな地質学への洞察を提供しますが、LHS 3844 bは、溶岩上の固い岩を分析するユニークな機会を提供します。[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

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