Когда в июле 2022 года космический телескоп JWST «увидел первый свет», перед ним предстала огромная программа исследований, составленная участниками Международного Астрономического Союза. В этом списке фигурировали далёкие ранние галактики, формирующиеся планеты в газопылевых протопланетных дисках, а также конец «тёмных веков Вселенной» и первый свет. Среди многочисленных целей в списке не могли не присутствовать и экзопланеты.
Одна далёкая звёздная система особенно привлекала учёных. 15 лет назад астрономы обнаружили три экзопланеты вокруг звезды HR 8799, находящейся примерно в 133 световых годах от Земли. Позднее была обнаружена четвёртая экзопланета, все планеты были найдены методом прямого обнаружения. Это массивные планеты с широкими орбитами, что является редкостью. Также система HR 8799 привлекательна для наблюдений тем, что относится к молодым звёздным системам.
Поэтому недавно JWST наблюдал эту систему. Благодаря своим инструментам, включая инфракрасный инструмент MIRI и коронограф, он смог предоставить данные, позволяющие более детально исследовать звёздную систему.
Масса HR 8799 превышает 1,5 массы Солнца, а светимость этой звезды почти в пять раз больше солнечной. Вокруг неё образовался пылевой диск, при этом, это довольно молодая звезда — её возраст составляет всего около 30 миллионов лет. Молодые солнечные системы представляют особый интерес, поскольку они позволяют раскрыть подробности процесса формирования планет. На изучение именно этих деталей было направлено новое исследование, автором которого является Энтони Бокалетти из Обсерватории Парижа.
Система HR 8799 включает четыре планеты: HR 8799 b, c, d и e. Все они являются массивными гигантами с массой от 5,7 до 9,1 масс Юпитера — это границы массы коричневых карликов, — объектов, которые обладают характеристиками между планетами и звёздами. Орбиты планет варьируются от 16 до 71 астрономической единицы, а периоды обращения от 45 до 460 лет. То, что их обнаружили 15 лет назад, также важно, поскольку у астрономов есть накопленная история наблюдений за системой HR 8799.
Обнаружение массивных гигантских планет с орбитами, превышающими 5 астрономических единиц, является редкостью. Поэтому каждое открытие таких систем имеет важное значение. Благодаря возможностям, предоставляемым инструментом MIRI, JWST способен пролить свет на неизведанные аспекты таких систем и позволить учёным более полно их характеризовать. До недавнего времени из-за технических сложностей в наблюдениях среднего инфракрасного диапазона подробное изучение системы HR 8799 было непростой задачей.
С помощью JWST учёные смогли уточнить информацию, полученную в предыдущих наблюдениях, и получить более чёткое представление о различных аспектах системы. Основное внимание было сосредоточено на более точной характеристике атмосфер экзопланет.
Несмотря на некоторую неопределённость относительно их состава и открытый вопрос о том, являются ли они коричневыми карликами, наблюдения JWST смогли устранить сомнения. Температуры планет варьируются от 900 К до 1300 К, новые измерения показывают, что температура планеты HR 8799 b ниже, чем предполагалось из предыдущих измерений. Также, инструмент MIRI смог однозначно обнаружить присутствие двух химических соединений в атмосферах экзопланет: воды и оксида углерода. Кроме того, согласно данным, у учёных имеется спорное свидетельство обнаружения метана, что является дополнительным доказательством того, что эти объекты являются планетами, а не коричневыми карликами, поскольку последние при таких температурах всегда однозначно проявляют содержание метана.
Инструмент MIRI (Mid-Infrared Instrument) был разработан с потенциалом применения различных фильтров. Некоторые из них были специально разработаны для обнаружения аммиака, поскольку это может быть показателем наличия предвестников жизни на экзопланетах. Однако данные четырёх планет системы HR 8799 показали, что они немного горячее той температуры, при которой ожидаемо обнаружить присутствие аммиака.
Помимо этого, система HR 8799 примечательна наличием пылевого диска, который имеет два пояса. Исследователи задавались вопросом, может ли внутренний край внешнего пояса свидетельствовать о присутствии пятой планеты массой между Юпитером и Сатурном, или это просто скопление пыли. Это привело к дебатам, которые были разрешены наблюдениями JWST. Исследователи пришли к выводу, что внутренний край внешнего пояса является фоновым объектом, не связанным с HR 8799.
Это была первая возможность JWST изучить молодую экзопланетную систему с использованием инструмента MIRI, его фильтров и коронографа. Инструмент MIRI, установленный на JWST, открывает новые возможности для высококонтрастной съемки в среднем инфракрасном диапазоне и предоставляет новые направления для исследования молодых экзопланетных систем. Основной целью работы было провести наблюдения и проверить различные алгоритмы для определения наилучшего сценария использования инструментов и интерпретации результатов будущих наблюдений.
Полученные данные помогут оптимизировать настройки инструмента. Из-за высокой чувствительности коронографа MIRI может оказаться, что изучение с его помощью молодых звёздных систем быть затруднено. Это только первый опыт использования инструмента, и экстремальная чувствительность коронографа может сделать обнаружение и интерпретацию наблюдений молодых систем сложными, включая потенциальную путаницу из-за появления данных о фоновых галактиках.
Авторы работы отмечают, что уже намечены пути для улучшений, и их результаты будут полезны для дальнейшего совершенствования наблюдений и исследований.