NASA/ESA/CSA James Webb-romteleskopet scoret nok en førsteplass: et molekylært og kjemisk portrett av en fjern verdens himmel. Mens Webb og andre romteleskoper, inkludert NASA/ESA Hubble Space Telescope, har tidligere avslørt isolerte ingredienser i denne oppvarmede planetens atmosfære, gir de nye målingene en full meny med atomer, molekyler og til og med tegn på aktiv kjemi og skyer. De siste dataene antyder også hvordan disse skyene kan se ut på nært hold: brutt opp i stedet for som et enkelt, ensartet teppe over planeten.
Teleskopets følsomme instrumenter ble trent på atmosfæren til WASP-39 b, en "varm Saturn" (en planet omtrent like massiv som Saturn, men i bane strammere enn Merkur) som kretser rundt en stjerne rundt 700 lysår unna. Denne Saturn-størrelsen exoplanet var en av de første som ble undersøkt av NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope da det startet vanlige vitenskapelige operasjoner. Resultatene har begeistret eksoplanetvitenskapssamfunnet. Webbs utsøkt sensitive instrumenter har gitt en profil av WASP-39 bs atmosfæriske bestanddeler og identifisert en mengde innhold, inkludert Vann, svoveldioksid, karbonmonoksid, natrium og kalium.
Funnene lover godt for evnen til Webbs instrumenter til å utføre det brede spekteret av undersøkelser av eksoplaneter - planeter rundt andre stjerner - som vitenskapsmiljøet håper på. Det inkluderer å undersøke atmosfærene til mindre, steinete planeter som de i TRAPPIST-1-systemet.
"Vi observerte eksoplaneten med flere instrumenter som sammen dekker et bredt spekter av det infrarøde spekteret og en rekke kjemiske fingeravtrykk som var utilgjengelige før JWST," sa Natalie Batalha, en astronom ved University of California, Santa Cruz, som bidro til og hjalp til med å koordinere den nye forskningen. "Data som dette er en game changer."
Serien av funn er detaljert i et sett med fem nye vitenskapelige artikler, hvorav tre er under trykk og to er under vurdering. Blant de enestående avsløringene er den første oppdagelsen i en eksoplanetatmosfære av svoveldioksid, et molekyl produsert fra kjemiske reaksjoner utløst av høyenergilys fra planetens foreldrestjerne. På jorden skapes det beskyttende ozonlaget i den øvre atmosfæren på lignende måte.
"Dette er første gang vi har sett konkrete bevis på fotokjemi - kjemiske reaksjoner initiert av energisk stjernelys - på eksoplaneter," sa Shang-Min Tsai, en forsker ved University of Oxford i Storbritannia og hovedforfatter av artikkelen som forklarer opprinnelsen til svoveldioksid i WASP-39 bs atmosfære. "Jeg ser på dette som en virkelig lovende utsikter for å fremme vår forståelse av eksoplanetatmosfærer med [dette oppdraget]."
Dette førte til en annen første: forskere som bruker datamodeller av fotokjemi på data som krever at slik fysikk blir fullstendig forklart. De resulterende forbedringene i modellering vil bidra til å bygge den teknologiske kunnskapen som trengs for å tolke potensielle tegn på beboelighet i fremtiden.
"Planeter er skulpturert og forvandlet ved å gå i bane i strålebadet til vertsstjernen," sa Batalha. "På jorden lar disse transformasjonene livet trives."
Planetens nærhet til vertsstjernen - åtte ganger nærmere enn Mercury er til vår Sol — gjør det også til et laboratorium for å studere effekten av stråling fra vertsstjerner på eksoplaneter. Bedre kunnskap om stjerne-planet-forbindelsen bør gi en dypere forståelse av hvordan disse prosessene påvirker mangfoldet av planeter observert i galaksen.
Andre atmosfæriske bestanddeler oppdaget av Webb-teleskopet inkluderer natrium (Na), kalium (K) og vanndamp (H2O), som bekrefter tidligere rom- og bakkebaserte teleskopobservasjoner i tillegg til å finne ytterligere fingeravtrykk av vann, ved disse lengre bølgelengdene, som ikke er sett før.
Webb så også karbondioksid (CO2) med høyere oppløsning, og gir dobbelt så mye data som rapportert fra tidligere observasjoner. I mellomtiden ble karbonmonoksid (CO) oppdaget, men åpenbare signaturer av både metan (CH4) og hydrogensulfid (H2S) var fraværende i Webb-dataene. Hvis de er tilstede, forekommer disse molekylene i svært lave nivåer.
For å fange dette brede spekteret av atmosfæren til WASP-39 b, analyserte et internasjonalt team med hundrevis uavhengig data fra fire av Webb-teleskopets fint kalibrerte instrumentmoduser.
"Vi hadde spådd hva [teleskopet] ville vise oss, men det var mer presist, mer mangfoldig og vakrere enn jeg tror jeg faktisk trodde det ville være," sa Hannah Wakeford, en astrofysiker ved University of Bristol i Storbritannia som undersøker eksoplanetatmosfærer.
Å ha en slik komplett liste over kjemiske ingredienser i en eksoplanetatmosfære gir også forskerne et glimt av overfloden av forskjellige grunnstoffer i forhold til hverandre, som karbon-til-oksygen eller kalium-til-oksygen-forhold. Det gir igjen innsikt i hvordan denne planeten - og kanskje andre - ble dannet av platen av gass og støv som omgir foreldrestjernen i dens yngre år.
WASP-39 bs kjemiske inventar antyder en historie med smashups og sammenslåinger av mindre kropper kalt planetesimals for å skape en eventuell goliat av en planet.
"Overfloden av svovel [i forhold til] hydrogen indikerte at planeten antagelig opplevde betydelig akkresjon av planetesimaler som kan levere [disse ingrediensene] til atmosfæren," sa Kazumasa Ohno, en eksoplanetforsker fra UC Santa Cruz som jobbet med Webb-data. "Dataene indikerer også at oksygen er mye mer rikelig enn karbonet i atmosfæren. Dette indikerer potensielt at WASP-39 b opprinnelig ble dannet langt unna den sentrale stjernen.»
Ved nøyaktig å avsløre detaljene i en eksoplanetatmosfære, presterte Webb-teleskopets instrumenter langt utover forskernes forventninger - og lover en ny fase av utforskning av det brede utvalget av eksoplaneter i galakse.
"Vi kommer til å være i stand til å se det store bildet av eksoplanetatmosfærer," sa Laura Flagg, forsker ved Cornell University og medlem av det internasjonale teamet. «Det er utrolig spennende å vite at alt kommer til å bli skrevet om. Det er en av de beste delene ved å være vitenskapsmann.»
Tidsskriftreferanser:
- Lili Alderson et al. Tidlig utgivelsesvitenskap om eksoplaneten WASP-39b med JWST NIRSpec G395H. GJØR JEG: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov et al. Tidlig utgivelsesvitenskap om eksoplaneten WASP-39b med JWST NIRSpec PRISM. GJØR JEG: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer et al. Tidlig utgivelsesvitenskap om eksoplaneten WASP-39b med JWST NIRCam. GJØR JEG: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein et al. Tidlig utgivelsesvitenskap om eksoplaneten WASP-39b med JWST NIRISS. GJØR JEG: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai et al. Direkte bevis på fotokjemi i en eksoplanetatmosfære. GJØR JEG: 10.48550/arXiv.2211.10490
