Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA/ESA/CSA σημείωσε άλλη μια πρωτιά: ένα μοριακό και χημικό πορτρέτο ενός μακρινού κόσμου. Ενώ ο Webb και άλλα διαστημικά τηλεσκόπια, συμπεριλαμβανομένης της NASA/ESA Διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, έχουν αποκαλύψει στο παρελθόν μεμονωμένα συστατικά της θερμαινόμενης ατμόσφαιρας αυτού του πλανήτη, οι νέες αναγνώσεις παρέχουν ένα πλήρες μενού ατόμων, μορίων, ακόμη και σημάδια ενεργού χημείας και νεφών. Τα τελευταία δεδομένα υποδεικνύουν επίσης πώς αυτά τα σύννεφα μπορεί να φαίνονται από κοντά: σπασμένα και όχι ως μια ενιαία, ομοιόμορφη κουβέρτα πάνω από τον πλανήτη.
Τα ευαίσθητα όργανα του τηλεσκοπίου εκπαιδεύτηκαν στην ατμόσφαιρα του WASP-39 b, ενός «καυτού Κρόνου» (ένας πλανήτης περίπου τόσο μάζας όσο ο Κρόνος αλλά σε τροχιά πιο σφιχτή από τον Ερμή) που περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι περίπου 700 έτη φωτός μακριά. Αυτό το μέγεθος του Κρόνου εξωπλανήτης ήταν ένα από τα πρώτα που εξετάστηκαν από τη NASA/ESA/CSA Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb όταν άρχισε να λειτουργεί τακτικά επιστημονικά. Τα αποτελέσματα έχουν ενθουσιάσει την επιστημονική κοινότητα των εξωπλανητών. Τα εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα του Webb έχουν παράσχει ένα προφίλ των ατμοσφαιρικών συστατικών του WASP-39 b και έχουν εντοπίσει μια πληθώρα περιεχομένων, όπως νερό, διοξείδιο του θείου, μονοξείδιο του άνθρακα, νάτριο και κάλιο.
Τα ευρήματα προοιωνίζονται καλά για την ικανότητα των οργάνων του Webb να διεξάγουν το ευρύ φάσμα ερευνών εξωπλανητών -πλανήτες γύρω από άλλα αστέρια- που ελπίζει η επιστημονική κοινότητα. Αυτό περιλαμβάνει την ανίχνευση της ατμόσφαιρας μικρότερων, βραχωδών πλανητών όπως αυτοί στο σύστημα TRAPPIST-1.
«Παρατηρήσαμε τον εξωπλανήτη με πολλά όργανα που μαζί καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα του υπέρυθρου φάσματος και μια πληθώρα χημικών αποτυπωμάτων απρόσιτα μέχρι το JWST». είπε η Natalie Batalha, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, η οποία συνέβαλε και βοήθησε στο συντονισμό της νέας έρευνας. «Τα δεδομένα όπως αυτά αλλάζουν το παιχνίδι».
Η σειρά των ανακαλύψεων περιγράφεται λεπτομερώς σε μια σειρά από πέντε νέες επιστημονικές εργασίες, τρεις από τις οποίες βρίσκονται υπό έκδοση και δύο από τις οποίες είναι υπό εξέταση. Μεταξύ των πρωτοφανών αποκαλύψεων είναι η πρώτη ανίχνευση σε ατμόσφαιρα εξωπλανήτη του διοξείδιο του θείου, ένα μόριο που παράγεται από χημικές αντιδράσεις που προκαλούνται από φως υψηλής ενέργειας από το μητρικό αστέρι του πλανήτη. Στη Γη, το προστατευτικό στρώμα του όζοντος στην ανώτερη ατμόσφαιρα δημιουργείται με παρόμοιο τρόπο.
«Είναι η πρώτη φορά που βλέπουμε συγκεκριμένα στοιχεία φωτοχημείας - χημικές αντιδράσεις που ξεκινούν από ενεργητικό αστρικό φως - σε εξωπλανήτες. είπε ο Shang-Min Tsai, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας που εξηγεί την προέλευση του διοξειδίου του θείου στην ατμόσφαιρα του WASP-39 b. «Το βλέπω αυτό ως μια πραγματικά πολλά υποσχόμενη προοπτική για την προώθηση της κατανόησής μας ατμόσφαιρες εξωπλανητών με [αυτή την αποστολή]».
Αυτό οδήγησε σε μια άλλη πρώτη: οι επιστήμονες εφαρμόζουν μοντέλα φωτοχημείας υπολογιστών σε δεδομένα που απαιτούν την πλήρη εξήγηση αυτής της φυσικής. Οι προκύπτουσες βελτιώσεις στη μοντελοποίηση θα βοηθήσουν στην οικοδόμηση της τεχνολογικής τεχνογνωσίας που απαιτείται για την ερμηνεία πιθανών ενδείξεων κατοικησιμότητας στο μέλλον.
«Οι πλανήτες σμιλεύονται και μεταμορφώνονται περιφέροντας σε τροχιά μέσα στο λουτρό ακτινοβολίας του ξενιστή αστέρα». είπε ο Batalha. «Στη Γη, αυτοί οι μετασχηματισμοί επιτρέπουν στη ζωή να ευδοκιμήσει».
Η εγγύτητα του πλανήτη με το άστρο υποδοχής του — οκτώ φορές πιο κοντά από Ερμής είναι στο δικό μας Κυρ. — το καθιστά επίσης εργαστήριο για τη μελέτη των επιπτώσεων της ακτινοβολίας από αστέρια-ξενιστές σε εξωπλανήτες. Η καλύτερη γνώση της σύνδεσης άστρου-πλανήτη θα πρέπει να φέρει μια βαθύτερη κατανόηση του πώς αυτές οι διεργασίες επηρεάζουν την ποικιλομορφία των πλανητών που παρατηρούνται στον γαλαξία.
Άλλα ατμοσφαιρικά συστατικά που ανιχνεύθηκαν από το τηλεσκόπιο Webb περιλαμβάνουν το νάτριο (Na), το κάλιο (K) και τους υδρατμούς (H2O), επιβεβαιώνοντας προηγούμενες παρατηρήσεις με τηλεσκόπιο στο διάστημα και στο έδαφος καθώς και την εύρεση πρόσθετων δακτυλικών αποτυπωμάτων νερού, σε αυτά τα μεγαλύτερα μήκη κύματος. που δεν έχουν ξαναδεί.
Ο Webb είδε επίσης διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε υψηλότερη ανάλυση, παρέχοντας διπλάσια δεδομένα από όσα αναφέρθηκαν από προηγούμενες παρατηρήσεις του. Εν τω μεταξύ, ανιχνεύθηκε μονοξείδιο του άνθρακα (CO), αλλά εμφανείς υπογραφές τόσο του μεθανίου (CH4) όσο και του υδρόθειου (H2S) απουσίαζαν από τα δεδομένα Webb. Εάν υπάρχουν, αυτά τα μόρια εμφανίζονται σε πολύ χαμηλά επίπεδα.
Για να συλλάβει αυτό το ευρύ φάσμα της ατμόσφαιρας του WASP-39 b, μια διεθνής ομάδα που αριθμεί εκατοντάδες ανέλυσε ανεξάρτητα δεδομένα από τέσσερις από τις λεπτώς βαθμονομημένες λειτουργίες οργάνων του τηλεσκοπίου Webb.
«Είχαμε προβλέψει τι θα μας έδειχνε [το τηλεσκόπιο], αλλά ήταν πιο ακριβές, πιο ποικιλόμορφο και πιο όμορφο από ό,τι πίστευα πραγματικά ότι θα ήταν». είπε η Hannah Wakeford, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Bristol στο Ηνωμένο Βασίλειο που ερευνά τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών.
Έχοντας έναν τέτοιο πλήρη κατάλογο χημικών συστατικών σε μια ατμόσφαιρα εξωπλανήτη δίνει επίσης στους επιστήμονες μια γεύση από την αφθονία των διαφορετικών στοιχείων μεταξύ τους, όπως η αναλογία άνθρακα προς οξυγόνο ή κάλιο προς οξυγόνο. Αυτό με τη σειρά του παρέχει μια εικόνα για το πώς αυτός ο πλανήτης - και ίσως άλλοι - σχηματίστηκε από τον δίσκο αερίου και σκόνης που περιβάλλει το μητρικό αστέρι στα νεότερα του χρόνια.
Το χημικό απόθεμα του WASP-39 b υποδηλώνει μια ιστορία συντριβών και συγχωνεύσεων μικρότερων σωμάτων που ονομάζονται planetesimals για τη δημιουργία ενός ενδεχόμενου γολιάθου ενός πλανήτη.
«Η αφθονία του θείου [σε σχέση με] το υδρογόνο έδειξε ότι ο πλανήτης πιθανώς παρουσίασε σημαντική συσσώρευση πλανητομικρών που μπορούν να παραδώσουν [αυτά τα συστατικά] στην ατμόσφαιρα», είπε. Kazumasa Ohno, ερευνητής εξωπλανητών στο UC Santa Cruz που εργάστηκε σε δεδομένα Webb. «Τα δεδομένα δείχνουν επίσης ότι το οξυγόνο είναι πολύ πιο άφθονο από τον άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Αυτό δυνητικά υποδεικνύει ότι το WASP-39 b σχηματίστηκε αρχικά πολύ μακριά από το κεντρικό αστέρι».
Αποκαλύπτοντας με ακρίβεια τις λεπτομέρειες μιας ατμόσφαιρας εξωπλανήτη, τα όργανα του τηλεσκοπίου Webb απέδωσαν πολύ πέρα από τις προσδοκίες των επιστημόνων — και υπόσχονται μια νέα φάση εξερεύνησης της ευρείας ποικιλίας εξωπλανητών στην γαλαξίας.
«Θα μπορέσουμε να δούμε τη μεγάλη εικόνα των ατμόσφαιρων των εξωπλανητών», είπε Laura Flagg, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο Cornell και μέλος της διεθνούς ομάδας. «Είναι απίστευτα συναρπαστικό να γνωρίζεις ότι όλα θα ξαναγραφτούν. Αυτό είναι ένα από τα καλύτερα μέρη του να είσαι επιστήμονας».
Αναφορές περιοδικών:
- Οι Lili Alderson et al. Early Release Science of the Exoplanet WASP-39b με JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Οι Z. Rustamkulov et al. Early Release Science του εξωπλανήτη WASP-39b με JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer et al. Early Release Science του εξωπλανήτη WASP-39b με JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Οι Adina D. Feinstein et al. Early Release Science του εξωπλανήτη WASP-39b με JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Οι Shang-Min Tsai et al. Άμεση απόδειξη της Φωτοχημείας σε μια ατμόσφαιρα εξωπλανήτη. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
