NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope scorede endnu en førsteplads: et molekylært og kemisk portræt af en fjern verdens himmel. Mens Webb og andre rumteleskoper, herunder NASA/ESA Hubble Space Telescope, tidligere har afsløret isolerede ingredienser i denne opvarmede planets atmosfære, giver de nye aflæsninger en komplet menu af atomer, molekyler og endda tegn på aktiv kemi og skyer. De seneste data antyder også, hvordan disse skyer kan se ud tæt på: brudt op snarere end som et enkelt, ensartet tæppe over planeten.
Teleskopets følsomme instrumenter blev trænet på atmosfæren af WASP-39 b, en "varm Saturn" (en planet omtrent lige så massiv som Saturn, men i kredsløb tættere end Merkur), der kredser omkring en stjerne omkring 700 lysår væk. Denne Saturn-størrelse exoplanet var en af de første, der blev undersøgt af NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope da det begyndte regelmæssige videnskabelige operationer. Resultaterne har begejstret exoplanetvidenskabssamfundet. Webbs udsøgt følsomme instrumenter har givet en profil af WASP-39 b's atmosfæriske bestanddele og identificeret et væld af indhold, bl.a. vand, svovldioxid, carbonmonoxid, natrium og kalium.
Resultaterne lover godt for Webbs instrumenters evne til at udføre den brede vifte af undersøgelser af exoplaneter - planeter omkring andre stjerner - som videnskabssamfundet håber på. Det inkluderer at undersøge atmosfærerne på mindre, klippeplaneter som dem i TRAPPIST-1-systemet.
"Vi observerede exoplaneten med adskillige instrumenter, der tilsammen dækker et bredt stykke af det infrarøde spektrum og en række kemiske fingeraftryk, der var utilgængelige indtil JWST," sagde Natalie Batalha, en astronom ved University of California, Santa Cruz, som bidrog til og hjalp med at koordinere den nye forskning. "Data som disse er en game changer."
Pakken af opdagelser er detaljeret beskrevet i et sæt af fem nye videnskabelige artikler, hvoraf tre er under tryk, og to af dem er under revision. Blandt de hidtil usete afsløringer er den første påvisning i en exoplanetatmosfære af svovldioxid, et molekyle fremstillet af kemiske reaktioner udløst af højenergilys fra planetens moderstjerne. På Jorden skabes det beskyttende ozonlag i den øvre atmosfære på lignende måde.
"Det er første gang, vi har set konkrete beviser for fotokemi - kemiske reaktioner initieret af energisk stjernelys - på exoplaneter," sagde Shang-Min Tsai, en forsker ved University of Oxford i Det Forenede Kongerige og hovedforfatter af papiret, der forklarer oprindelsen af svovldioxid i WASP-39 b's atmosfære. "Jeg ser dette som en virkelig lovende udsigt til at fremme vores forståelse af exoplanet atmosfærer med [denne mission]."
Dette førte til en anden første: videnskabsmænd, der anvender computermodeller af fotokemi til data, der kræver, at sådan fysik skal forklares fuldt ud. De resulterende forbedringer i modellering vil hjælpe med at opbygge den teknologiske knowhow, der er nødvendig for at fortolke potentielle tegn på beboelighed i fremtiden.
"Planeter skulptureres og transformeres ved at kredse i værtsstjernens strålingsbad," sagde Batalha. "På Jorden tillader disse transformationer livet at trives."
Planetens nærhed til sin værtsstjerne - otte gange tættere på end Mercury er til vores Sol — gør det også til et laboratorium til at studere virkningerne af stråling fra værtsstjerner på exoplaneter. Bedre viden om stjerne-planet-forbindelsen burde give en dybere forståelse af, hvordan disse processer påvirker mangfoldigheden af planeter observeret i galaksen.
Andre atmosfæriske bestanddele påvist af Webb-teleskopet omfatter natrium (Na), kalium (K) og vanddamp (H2O), hvilket bekræfter tidligere rum- og jordbaserede teleskopobservationer samt at finde yderligere fingeraftryk af vand ved disse længere bølgelængder, som ikke er set før.
Webb så også carbondioxid (CO2) ved højere opløsning, hvilket giver dobbelt så mange data som rapporteret fra tidligere observationer. I mellemtiden blev kulilte (CO) påvist, men tydelige signaturer af både metan (CH4) og svovlbrinte (H2S) var fraværende i Webb-dataene. Hvis de er til stede, forekommer disse molekyler i meget lave niveauer.
For at fange dette brede spektrum af WASP-39 b's atmosfære analyserede et internationalt hold, der nummererede i hundredvis, uafhængigt data fra fire af Webb-teleskopets fint kalibrerede instrumenttilstande.
"Vi havde forudsagt, hvad [teleskopet] ville vise os, men det var mere præcist, mere forskelligartet og smukkere, end jeg tror, jeg egentlig troede, det ville være." sagde Hannah Wakeford, en astrofysiker ved University of Bristol i Det Forenede Kongerige, der undersøger exoplanetatmosfærer.
At have en sådan komplet liste af kemiske ingredienser i en exoplanetatmosfære giver også forskerne et glimt af overfloden af forskellige grundstoffer i forhold til hinanden, såsom kulstof-til-ilt- eller kalium-til-ilt-forholdet. Det giver igen indsigt i, hvordan denne planet - og måske andre - blev dannet ud af skiven af gas og støv, der omgav moderstjernen i dens yngre år.
WASP-39 b's kemiske opgørelse antyder en historie med smashups og sammensmeltninger af mindre kroppe kaldet planetesimals for at skabe en eventuel goliat af en planet.
"Overfloden af svovl [i forhold til] brint indikerede, at planeten formentlig oplevede en betydelig ophobning af planetesimaler, der kan levere [disse ingredienser] til atmosfæren," sagde Kazumasa Ohno, en UC Santa Cruz exoplanetforsker, der arbejdede på Webb-data. "Dataene indikerer også, at ilt er meget mere rigeligt end kulstoffet i atmosfæren. Dette indikerer potentielt, at WASP-39 b oprindeligt blev dannet langt væk fra den centrale stjerne."
Ved præcist at afsløre detaljerne i en exoplanetatmosfære fungerede Webb-teleskopets instrumenter langt ud over forskernes forventninger - og lover en ny fase af udforskning af den brede vifte af exoplaneter i galakse.
"Vi vil være i stand til at se det store billede af exoplanetatmosfærer," sagde Laura Flagg, forsker ved Cornell University og medlem af det internationale team. ”Det er utrolig spændende at vide, at alting bliver skrevet om. Det er en af de bedste dele af at være videnskabsmand."
Journalreferencer:
- Lili Alderson et al. Tidlig udgivelsesvidenskab om exoplaneten WASP-39b med JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov et al. Tidlig udgivelsesvidenskab af exoplaneten WASP-39b med JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer et al. Tidlig udgivelsesvidenskab af exoplaneten WASP-39b med JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein et al. Tidlig udgivelsesvidenskab om exoplaneten WASP-39b med JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai et al. Direkte bevis på fotokemi i en exoplanetatmosfære. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
