NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi teki toisen ensimmäisen: molekyyli- ja kemiallisen muotokuvan kaukaisen maailman taivaalta. Vaikka Webb ja muut avaruusteleskoopit, mukaan lukien NASA/ESA Hubble-avaruusteleskooppi, ovat aiemmin paljastaneet tämän kuumennetun planeetan ilmakehän eristettyjä aineosia, uudet lukemat tarjoavat täyden valikoiman atomeja, molekyylejä ja jopa merkkejä aktiivisesta kemiasta ja pilvistä. Viimeisimmät tiedot viittaavat myös siihen, miltä nämä pilvet saattavat näyttää läheltä: hajotettuina sen sijaan, että ne olisivat yhtenäinen peitto planeetan päällä.
Teleskoopin herkät instrumentit opetettiin WASP-39 b:n, "kuuma Saturnuksen" (planetta, joka on suunnilleen yhtä massiivinen kuin Saturnus, mutta kiertoradalla tiukempi kuin Merkurius) ilmakehässä, joka kiertää tähteä noin 700 valovuoden päässä. Tämä Saturnuksen kokoinen eksoplaneetta oli yksi ensimmäisistä NASA/ESA/CSA:n tutkimista James Webb avaruusteleskooppi kun se aloitti säännöllisen tieteellisen toiminnan. Tulokset ovat innostaneet eksoplaneettojen tiedeyhteisöä. Webbin erittäin herkät instrumentit ovat tarjonneet profiilin WASP-39 b:n ilmakehän ainesosista ja tunnistaneet joukon sisältöä, mukaan lukien vesi, rikkidioksidi, hiilimonoksidi, natrium ja kalium.
Löydökset lupaavat hyvää Webbin instrumenttien kyvylle suorittaa monenlaisia tutkimuksia eksoplaneetoista – muiden tähtien ympärillä olevista planeetoista – joita tiedeyhteisö toivoo. Tähän sisältyy pienempien kivisten planeettojen, kuten TRAPPIST-1-järjestelmän, ilmakehän tutkiminen.
"Havaitsimme eksoplaneetta useilla instrumenteilla, jotka yhdessä kattavat laajan alueen infrapunaspektristä ja joukon kemiallisia sormenjälkiä, joihin ei päästä käsiksi JWST:hen asti." sanoi Natalie Batalha, tähtitieteilijä Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista, joka osallistui ja auttoi koordinoimaan uutta tutkimusta. "Tällainen data muuttaa peliä."
Löytösarja on kuvattu yksityiskohtaisesti viiden uuden tieteellisen artikkelin sarjassa, joista kolme on painostuksessa ja joista kaksi on arvioitavana. Ennennäkemättömien paljastusten joukossa on ensimmäinen havainto eksoplaneetan ilmakehässä rikkidioksidi, molekyyli, joka on tuotettu planeetan emitähden korkeaenergisen valon laukaisemista kemiallisista reaktioista. Maapallolla yläilmakehän suojaava otsonikerros syntyy samalla tavalla.
"Tämä on ensimmäinen kerta, kun näemme eksoplaneetoilla konkreettisia todisteita fotokemiasta - energisen tähtien valon käynnistämistä kemiallisista reaktioista", sanoi Shang-Min Tsai, tutkija Oxfordin yliopistosta Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja johtava kirjoittaja paperille, joka selittää rikkidioksidin alkuperän WASP-39 b:n ilmakehässä. "Näen tämän todella lupaavana näkemyksenä ymmärryksemme edistämiselle eksoplaneetan ilmapiirit [tämän tehtävän] kanssa."
Tämä johti toiseen ensimmäiseen: tiedemiehet soveltavat fotokemian tietokonemalleja tietoihin, jotka vaativat tällaisen fysiikan täydellisen selityksen. Tuloksena saadut parannukset mallinnukseen auttavat rakentamaan teknologista osaamista, jota tarvitaan tulkitsemaan mahdollisia asumiskelpoisuuden merkkejä tulevaisuudessa.
"Planeetat muotoutuvat ja muuntuvat kiertämällä isäntätähden säteilykylvyn sisällä" Batalha sanoi. "Maan päällä nämä muutokset antavat elämän kukoistaa."
Planeetan läheisyys isäntätähteensä - kahdeksan kertaa lähempänä kuin Merkurius on meidän aurinko — tekee siitä myös laboratorion, jossa tutkitaan isäntätähtien säteilyn vaikutuksia eksoplaneettoihin. Tähti-planeetta-yhteyden paremman tuntemuksen pitäisi tuoda syvempää ymmärrystä siitä, kuinka nämä prosessit vaikuttavat galaksissa havaittujen planeettojen monimuotoisuuteen.
Muita Webb-teleskoopin havaitsemia ilmakehän aineosia ovat natrium (Na), kalium (K) ja vesihöyry (H2O), mikä vahvistaa aikaisemmat avaruus- ja maanpäälliset teleskooppihavainnot sekä veden sormenjälkien löytäminen näillä pitemmillä aallonpituuksilla, joita ei ole ennen nähty.
Webb näki myös hiilidioksidi (CO2) korkeammalla resoluutiolla, mikä tarjoaa kaksi kertaa enemmän tietoa kuin aiemmissa havainnoissaan. Sillä välin hiilimonoksidia (CO) havaittiin, mutta Webb-tiedoista puuttui ilmeisiä sekä metaanin (CH4) että rikkivedyn (H2S) merkkejä. Jos niitä on, näitä molekyylejä esiintyy hyvin alhaisina määrinä.
Tämän laajan WASP-39 b:n ilmakehän kirjon kaapatakseen satoihin lukeutuva kansainvälinen tiimi analysoi itsenäisesti tiedot neljästä Webb-teleskoopin hienosti kalibroidusta instrumenttitilasta.
"Olimme ennustaneet, mitä [teleskooppi] näyttäisi meille, mutta se oli tarkempi, monipuolisempi ja kauniimpi kuin uskoin sen olevan." sanoi Hannah Wakeford, astrofyysikko Bristolin yliopistosta Iso-Britanniasta, joka tutkii eksoplaneettojen ilmakehää.
Tällainen täydellinen kemiallisten ainesosien luettelo eksoplaneetan ilmakehässä antaa tutkijoille myös välähdyksen eri alkuaineiden runsaudesta suhteessa toisiinsa, kuten hiili-happi- tai kalium-happi-suhteisiin. Tämä puolestaan antaa käsityksen siitä, kuinka tämä planeetta - ja ehkä muut - muodostuivat emotähtä ympäröivästä kaasu- ja pölykiekkosta sen nuorempana.
WASP-39 b:n kemiallinen inventaario viittaa pienempien, planetesimaaleiksi kutsuttujen kappaleiden törmäysten ja fuusioiden historiaan planeetan mahdollisen goliatin luomiseksi.
"Rikin runsaus [suhteessa] vetyyn osoitti, että planeetalla oletettavasti kertyi merkittävästi planetesimaaleja, jotka voivat kuljettaa [näitä ainesosia] ilmakehään", sanoi sanoi. Kazumasa Ohno, UC Santa Cruzin eksoplaneetan tutkija, joka työskenteli Webb-tietojen parissa. "Tiedot osoittavat myös, että happea on paljon enemmän ilmakehässä kuin hiiltä. Tämä mahdollisesti viittaa siihen, että WASP-39 b muodostui alun perin kaukana keskitähdestä.
Kun Webb-teleskoopin instrumentit paljastivat tarkasti eksoplaneetan ilmakehän yksityiskohdat, ne ylittivät tutkijoiden odotukset – ja lupaavat uuden vaiheen monien eksoplaneettojen tutkimiseen. galaxy.
"Aiomme nähdä suuren kuvan eksoplaneetan ilmakehistä" sanoi Laura Flagg, Cornellin yliopiston tutkija ja kansainvälisen ryhmän jäsen. ”On uskomattoman jännittävää tietää, että kaikki kirjoitetaan uudelleen. Se on yksi tiedemiehen parhaista puolista."
Lehtiviitteet:
- Lili Alderson et ai. Varhaisen julkaisun tiede eksoplaneetta WASP-39b ja JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov et ai. Varhaisen julkaisun tiede eksoplaneetta WASP-39b ja JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer et ai. Varhaisen julkaisun tiede eksoplaneetta WASP-39b JWST NIRCam -kameralla. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein et ai. Varhaisen julkaisun tiede eksoplaneetta WASP-39b JWST NIRISSillä. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai et ai. Suora todiste fotokemiasta eksoplaneetan ilmakehässä. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
