De NASA/ESA/CSA James Webb-ruimtetelescoop scoorde opnieuw een primeur: een moleculair en chemisch portret van de hemel van een verre wereld. Terwijl Webb en andere ruimtetelescopen, waaronder de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop, hebben eerder geïsoleerde ingrediënten van de atmosfeer van deze verwarmde planeet onthuld, maar de nieuwe metingen bieden een volledig menu van atomen, moleculen en zelfs tekenen van actieve chemie en wolken. De nieuwste gegevens laten ook zien hoe deze wolken er van dichtbij uit zouden kunnen zien: gebroken in plaats van als een enkele, uniforme deken over de planeet.
De gevoelige instrumenten van de telescoop werden gericht op de atmosfeer van WASP-39 b, een ‘hete Saturnus’ (een planeet die ongeveer net zo massief is als Saturnus, maar in een nauwere baan dan Mercurius) die rond een ster draait die zo’n 700 lichtjaar verwijderd is. Deze heeft het formaat van Saturnus exoplaneet was een van de eerste onderzoeken door NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope toen het met reguliere wetenschappelijke activiteiten begon. De resultaten hebben de exoplaneetwetenschapgemeenschap enthousiast gemaakt. De uiterst gevoelige instrumenten van Webb hebben een profiel gegeven van de atmosferische bestanddelen van WASP-39 b en een overvloed aan inhoud geïdentificeerd, waaronder water, zwaveldioxide, koolmonoxide, natrium en kalium.
De bevindingen voorspellen veel goeds voor het vermogen van Webbs instrumenten om het brede scala aan onderzoeken uit te voeren naar exoplaneten – planeten rond andere sterren – waarop de wetenschappelijke gemeenschap hoopt. Dat omvat het onderzoeken van de atmosfeer van kleinere, rotsachtige planeten zoals die in het TRAPPIST-1-systeem.
“We hebben de exoplaneet waargenomen met verschillende instrumenten die samen een breed deel van het infraroodspectrum bestrijken en een arsenaal aan chemische vingerafdrukken die tot JWST ontoegankelijk waren,” zei Natalie Batalha, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die heeft bijgedragen aan en hielp bij het coördineren van het nieuwe onderzoek. “Dit soort gegevens zijn een gamechanger.”
De reeks ontdekkingen wordt gedetailleerd beschreven in een reeks van vijf nieuwe wetenschappelijke artikelen, waarvan er drie in de pers liggen en waarvan er twee momenteel worden beoordeeld. Een van de ongekende onthullingen is de eerste detectie in de atmosfeer van een exoplaneet zwaveldioxide, een molecuul dat wordt geproduceerd uit chemische reacties die worden veroorzaakt door hoogenergetisch licht van de moederster van de planeet. Op aarde wordt de beschermende ozonlaag in de bovenste atmosfeer op een vergelijkbare manier gecreëerd.
“Dit is de eerste keer dat we concreet bewijs hebben gezien van fotochemie – chemische reacties geïnitieerd door energetisch sterrenlicht – op exoplaneten,” zei Shang-Min Tsai, onderzoeker aan de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk en hoofdauteur van het artikel waarin de oorsprong van zwaveldioxide in de atmosfeer van WASP-39 b wordt uitgelegd. “Ik zie dit als een veelbelovend vooruitzicht om ons begrip van te vergroten exoplaneet atmosferen met [deze missie].”
Dit leidde tot nog een primeur: wetenschappers passen computermodellen van fotochemie toe op gegevens waarvoor een dergelijke fysica volledig moet worden verklaard. De resulterende verbeteringen in de modellering zullen helpen bij het opbouwen van de technologische kennis die nodig is om potentiële tekenen van bewoonbaarheid in de toekomst te interpreteren.
‘Planeten worden gebeeldhouwd en getransformeerd door in het stralingsbad van de gastster te cirkelen’ zei Batalha. “Op aarde zorgen deze transformaties ervoor dat het leven kan gedijen.”
De nabijheid van de planeet tot zijn gastster – acht keer dichterbij dan kwik is voor ons Zon – maakt het ook tot een laboratorium voor het bestuderen van de effecten van straling van gaststerren op exoplaneten. Een betere kennis van de verbinding tussen ster en planeet zou een dieper inzicht moeten opleveren in de manier waarop deze processen de diversiteit van de waargenomen planeten in de Melkweg beïnvloeden.
Andere atmosferische bestanddelen die door de Webb-telescoop zijn gedetecteerd, zijn onder meer natrium (Na), kalium (K) en waterdamp (H2O), wat eerdere telescoopobservaties vanuit de ruimte en op de grond bevestigt en ook aanvullende vingerafdrukken van water op deze langere golflengten vindt. die nog niet eerder zijn gezien.
Webb zag het ook kooldioxide (CO2) met een hogere resolutie, wat twee keer zoveel gegevens oplevert als gerapporteerd uit eerdere waarnemingen. Ondertussen werd koolmonoxide (CO) gedetecteerd, maar duidelijke kenmerken van zowel methaan (CH4) als waterstofsulfide (H2S) ontbraken in de Webb-gegevens. Indien aanwezig komen deze moleculen in zeer lage concentraties voor.
Om dit brede spectrum van de atmosfeer van WASP-39 b vast te leggen, analyseerde een internationaal team van honderden, onafhankelijk gegevens van vier van de nauwkeurig gekalibreerde instrumentmodi van de Webb-telescoop.
“We hadden voorspeld wat [de telescoop] ons zou laten zien, maar het was preciezer, diverser en mooier dan ik dacht dat het zou zijn,” zei Hannah Wakeford, een astrofysicus aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk die de atmosfeer van exoplaneten onderzoekt.
Het hebben van zo’n compleet overzicht van chemische ingrediënten in de atmosfeer van een exoplaneet geeft wetenschappers ook een glimp van de overvloed aan verschillende elementen in relatie tot elkaar, zoals de koolstof-zuurstof- of kalium-zuurstofverhoudingen. Dat geeft op zijn beurt inzicht in hoe deze planeet – en misschien ook andere – in zijn jongere jaren is ontstaan uit de schijf van gas en stof die de moederster omringt.
De chemische inventaris van WASP-39 b suggereert een geschiedenis van verpletteren en samensmelten van kleinere lichamen, planetesimalen genaamd, om uiteindelijk een goliath van een planeet te creëren.
“De overvloed aan zwavel [ten opzichte van] waterstof gaf aan dat de planeet vermoedelijk een aanzienlijke aanwas van planetesimalen heeft ervaren die [deze ingrediënten] aan de atmosfeer kunnen leveren,” zei Kazumasa Ohno, een exoplaneetonderzoeker van UC Santa Cruz die aan Webb-gegevens werkte. “De gegevens geven ook aan dat de zuurstof veel overvloediger aanwezig is dan de koolstof in de atmosfeer. Dit wijst er mogelijk op dat WASP-39 b oorspronkelijk ver weg van de centrale ster ontstond.”
Door nauwkeurig de details van de atmosfeer van een exoplaneet te onthullen, presteerden de instrumenten van de Webb-telescoop ruimschoots boven de verwachtingen van wetenschappers – en beloven ze een nieuwe fase van onderzoek naar de grote verscheidenheid aan exoplaneten in de atmosfeer. melkweg.
‘We zullen het grote beeld van de atmosfeer van exoplaneten kunnen zien’ zei Laura Flagg, onderzoeker aan Cornell University en lid van het internationale team. “Het is ongelooflijk spannend om te weten dat alles herschreven gaat worden. Dat is een van de leukste aspecten van wetenschapper zijn.”
Tijdschriftreferenties:
- Lili Alderson et al. Wetenschappelijk onderzoek naar vroege vrijgave van de exoplaneet WASP-39b met JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov et al. Wetenschappelijk onderzoek naar vroege vrijgave van de exoplaneet WASP-39b met JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer et al. Wetenschappelijk onderzoek naar vroege vrijgave van de exoplaneet WASP-39b met JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D.Feinstein et al. Wetenschappelijk onderzoek naar vroege vrijgave van de exoplaneet WASP-39b met JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai et al. Direct bewijs van fotochemie in een exoplaneetatmosfeer. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
