Před pár dny byly zveřejněny první snímky z Kosmického dalekohledu Jamese Webba (JWST). Nejdražší astronomický přístroj všech dob se už skutečně pustil do vědecké práce. V uplynulých dnech pozoroval například pozůstatky po supernově SN 1987A ve Velkém Magellanově mračnu, Jupiter nebo exoplanety.
Do zorného pole JWST se ale hned z kraje dostal také nejslavnější planetární systém TRAPPIST-1. Pokud čekáte další skvělé fotografie, budete zklamáni. TRAPPIST-1 je chladná a malá hvězda 40 světelných let od nás. Okolo ní bylo dříve objeveno sedm exoplanet, které obíhají blízko od hvězdy a také vzdálenosti mezi nimi jsou malé. Nejvzdálenější planeta se nachází 9,2 milionu kilometrů od hvězdy.
JWST sice má na palubě koronograf, který umí odstínit světlo hvězdy, ale tyto planety obíhají příliš blízko od své hvězdy a jsou moc malé. JWST dokáže zobrazit jen planety, které jsou mladé, horké a mají větší separaci (obíhají dál od hvězdy). Cílem JWST bylo pozorování samotné hvězdy a pak tranzitů (přechodů) planet před ní.
JWST pozoroval planetární systém 11. a 17. července prostřednictvím přístroje NIRSpec v režimu „Bright Object Time Series Spectroskopy“. Jak už název napovídá, jedná se o pozorování jasných objektů a to konkrétně štěrbinovou aperturou se zorným polem 1,6 x 1,6 vteřiny. Režim je přímo vyladěn pro pozorování tranzitů exoplanet. JWST pozoroval TRAPPIST-1 po dobu 4 hodin a 52, minut, respektive 5 hodin a 17 minut.
Kromě toho se 18. a 20. července na hvězdu podíval také přístroj NIRISS v režimu „Single-Object Slitless Spectroscopy“. Pozorování trvalo vždy něco přes 5 hodin. Opět jde o režim určený primárně pro tranzity exoplanet. Je optimalizován pro spektroskopické aplikace vyžadující extrémně vysokou přesnost a spektrofotometrickou stabilitu.
Instrumentální stabilita je v tomto případě důležitá, protože jak si vysvětlíme níže, spektrum atmosféry exoplanety se fakticky odečítá od spektra hvězdy bez exoplanety (když je planeta za hvězdou).
Jeden tranzit nestačí
Na výsledky je brzy. Pozorování tranzitů bude extrémní disciplína. V případě TRAPIST-1 mají vědci štěstí na jasnou hvězdu, krátké oběžné doby planet a tedy i krátké doby tranzitů. Jednotlivé planety přejdou před hvězdou za 36 až 76 minut.
Cílem vědců je získat transmisní spektrum. Když planeta přechází před hvězdou, část světla hvězdy zablokuje. Díky tomu jsme planety u TRAPPIST-1 našli. Část světla ale projde také atmosférou planety, která v něm zanechá svůj otisk. Jak ho odečíst? Zjednodušeně řečeno stačí vzít spektrum s otiskem a poté bez otisku (když je planeta za hvězdou).
Není to však tak snadné. Planety u TRAPPIST-1 jsou malé. Nevíme, jakou atmosféru mají. Pro její podrobnější průzkum bude potřeba pozorovat více tranzitů. Přesný počet závisí zejména na složení atmosféry, tlaku, na tom, co hledáme.
Pro pouhé zjištění, zda planeta má atmosféru a určení jejího přibližného možného složení může stačit pozorovat 2 až 15 tranzitů. Nejlépe z toho vychází planety „b“ a „d“, kde by pro detekci oxidu uhličitého nebo metanu mohlo stačit zhruba 10 tranzitů.
Počet tranzitů nutných pro základní detekci atmosféry. Na vodorovné ose jsou planety (b až h), na svislé jednotlivé typy atmosfér. Zdroj: Jacob Lustig-Yaeger et al., 2019, CC 3.0
Pokud bychom chtěli pozorovat planetu „e“, na jejímž povrchu mohou být podmínky k život, tak by podle simulací mělo být možné odhalit vodu v troposféře na základě pozorování 35 tranzitů. Pokud se však v atmosféře nachází mraky, může být detekce vody i zcela nemožná.