GJ504b od ponad dekady należy do najbardziej nietypowych obiektów o masie planetarnej odkrytych poza Układem Słonecznym. Nowe obserwacje wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wskazują, że atmosferę tego świata najlepiej wyjaśnia obecność chmur solnych. To jedne z najmocniejszych dotąd bezpośrednich dowodów na istnienie takich chmur w tak chłodnym obiekcie o masie planetarnej

Astronomowie z Northwestern University wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do zbadania atmosfery obiektu znanego jako Różowa Planeta. GJ504b znajduje się około 57 lat świetlnych od Ziemi i krąży wokół gwiazdy podobnej do Słońca.

Ten obiekt, odkryty w 2013 r., szybko zwrócił uwagę astronomów nietypową barwą obserwowaną w podczerwieni, jednak przez lata pozostawał trudnym celem badań. Był zbyt słaby, by teleskopy naziemne mogły szczegółowo przeanalizować jego światło. Dopiero Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwolił uzyskać jego dokładne widmo.

Analiza ujawniła obecność pary wodnej, metanu, dwutlenku węgla, amoniaku i innych związków chemicznych. „Różowa Planeta jest najchłodniejszym towarzyszem gwiazdy odkrytym za pomocą instrumentów naziemnych” – powiedział Aneesh Baburaj z Northwestern University, główny autor badań. „Kiedy w końcu uzyskaliśmy jej widmo, od razu wyglądało interesująco. Gdy zaczęliśmy analizować dane głębiej, zrozumieliśmy, że nie przypomina niczego, co badaliśmy wcześniej”.

Chłodna jak na świat obserwowany bezpośrednio

Większość egzoplanet obserwowanych bezpośrednio ma temperaturę od około 540 do ponad 1000 st. C. W przypadku GJ504b wynosi ona około 290 st. C. To wyjątkowo niska wartość dla obiektu, którego światło można bezpośrednio oddzielić od blasku gwiazdy. Zdaniem badaczy wynika to z jego wieku. Nowe analizy wskazują, że GJ504b ma od 2,5 do 4 mld lat. Gigantyczne planety rodzą się bardzo gorące, a następnie stopniowo stygną.

Naukowcy wciąż nie mają pewności, czym dokładnie jest GJ504b. Jego masa wynosi około 25 mas Jowisza, czyli znajduje się blisko granicy między największymi planetami a brązowymi karłami. Dlatego autorzy pracy ostrożnie określają go jako towarzysza o masie planetarnej.

Samo uzyskanie widma było dużym wyzwaniem. Zespół musiał odfiltrować światło znacznie jaśniejszej gwiazdy macierzystej. „W przeszłości inni astronomowie obserwowali ten obiekt przez całą noc przy użyciu jednych z największych teleskopów świata i nie byli w stanie uzyskać jego widma” – powiedział Baburaj. „W przypadku Teleskopu Jamesa Webba obserwacja trwała około dwóch godzin i zakończyła się sukcesem”.

Modele zaczęły działać dopiero po dodaniu chmur

Największą niespodzianką okazały się wyniki modelowania atmosfery. Początkowo komputerowe symulacje nie potrafiły odtworzyć obserwowanych danych bez przyjęcia założeń, które badacze uznali za fizycznie mało prawdopodobne. Dopiero uwzględnienie chmur pozwoliło uzyskać zgodność modeli z obserwacjami.

„Przetestowaliśmy trzy różne rodzaje chmur i najlepiej pasowały chmury solne” – wyjaśnił Baburaj. „Gdy uwzględniliśmy ich obecność, tłumiły sygnały cząsteczek znajdujących się głębiej w atmosferze. Wówczas wyniki stały się fizycznie możliwe”.

Według autorów pracy chmury solne przesłaniają głębsze warstwy atmosfery i wpływają na światło docierające do teleskopu. Modele teoretyczne przewidywały możliwość ich istnienia od ponad 15 lat, jednak dotąd brakowało mocnych obserwacji potwierdzających ich obecność w tak chłodnym obiekcie o masie planetarnej.

Badacze zauważają, że atmosfera GJ504b może zawierać stosunkowo dużo cięższych pierwiastków. Na razie nie pozwala to jednak rozstrzygnąć, czy obiekt powstał bardziej jak planeta, czy raczej jak mała gwiazda.

Po co badać tak niezwykły świat?

GJ504b jest nietypowy, ale właśnie dlatego może okazać się tak cenny dla astronomów. Pozwala testować modele atmosfer w zakresie temperatur i mas, które do tej pory były bardzo trudne do bezpośrednich obserwacji. To z kolei może pomóc w badaniach chłodniejszych i słabiej świecących światów.

„Po raz pierwszy pokazaliśmy, że chmury solne są kluczowe dla wyjaśnienia widma takiego obiektu” – powiedział Baburaj. „To przypomnienie, że w naszych modelach musimy uwzględniać obecność chmur”.

W przyszłości podobne techniki mogą zostać wykorzystane do badań atmosfer jeszcze chłodniejszych planet. Dzisiejsze instrumenty nie pozwalają jeszcze obserwować takich struktur poza Układem Słonecznym z taką swobodą, z jaką astronomowie badają chmury Jowisza. Obserwacje GJ504b pokazują jednak, że ta granica stopniowo się przesuwa.

Źródła

A. Baburaj i in., „JWST-TST high contrast: First direct spectroscopy of GJ504b reveals clouds and possible metal enrichment”, The Astronomical Journal, 2026.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi