Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba należący do NASA/ESA/CSA osiągnął kolejny sukces: molekularny i chemiczny portret nieba odległego świata. Podczas gdy Webb i inne teleskopy kosmiczne, w tym NASA/ESA Kosmiczny teleskop Hubble, odsłoniły wcześniej izolowane składniki atmosfery tej rozgrzanej planety, nowe odczyty dostarczają pełnego menu atomów, cząsteczek, a nawet oznak aktywnej chemii i chmur. Najnowsze dane wskazują również, jak te chmury mogą wyglądać z bliska: raczej podzielone, a nie pojedyncza, jednorodna warstwa pokrywająca planetę.
Czułe instrumenty teleskopu wycelowano w atmosferę WASP-39 b, „gorącego Saturna” (planety mniej więcej tak masywnej jak Saturn, ale na orbicie węższej niż Merkury) krążącej wokół gwiazdy oddalonej o około 700 lat świetlnych. Ten wielkości Saturna egzoplaneta był jednym z pierwszych zbadanych przez NASA/ESA/CSA Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba kiedy rozpoczęła regularną działalność naukową. Wyniki podekscytowały społeczność naukową zajmującą się egzoplanetami. Niezwykle czułe instrumenty Webba dostarczyły profil składników atmosfery WASP-39 b i zidentyfikowały mnóstwo zawartości, w tym woda, dwutlenek siarki, tlenek węgla, sód i potas.
Odkrycia dobrze wróżą możliwości instrumentów Webba w zakresie prowadzenia szerokiego zakresu badań egzoplanet – planet krążących wokół innych gwiazd – na które liczy społeczność naukowa. Obejmuje to badanie atmosfer mniejszych, skalistych planet, takich jak te w układzie TRAPPIST-1.
„Obserwowaliśmy egzoplanetę za pomocą kilku instrumentów, które łącznie obejmują szeroki zakres widma w podczerwieni i całą gamę śladów chemicznych niedostępnych aż do JWST” powiedziała Natalie Batalha, astronom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, która przyczyniła się do nowych badań i pomogła je koordynować. „Takie dane zmieniają zasady gry”.
Zestaw odkryć szczegółowo opisano w zestawie pięciu nowych artykułów naukowych, z których trzy są w druku, a dwa są w trakcie recenzowania. Do bezprecedensowych odkryć należy pierwsze wykrycie w atmosferze egzoplanety dwutlenek siarki, cząsteczka powstająca w wyniku reakcji chemicznych wywołanych wysokoenergetycznym światłem gwiazdy macierzystej planety. Na Ziemi w podobny sposób tworzy się ochronna warstwa ozonowa w górnych warstwach atmosfery.
„Po raz pierwszy widzieliśmy konkretne dowody fotochemii – reakcji chemicznych inicjowanych przez energetyczne światło gwiazd – na egzoplanetach” – dodał. powiedział Shang-Min Tsai, badacz z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii i główny autor artykułu wyjaśniającego pochodzenie dwutlenku siarki w atmosferze WASP-39 b. „Postrzegam to jako naprawdę obiecującą perspektywę pogłębienia naszego zrozumienia atmosfery egzoplanet z [tą misją]”.
Doprowadziło to do kolejnego pioniera: naukowców stosujących komputerowe modele fotochemii do danych wymagających pełnego wyjaśnienia takiej fizyki. Wynikające z tego ulepszenia modelowania pomogą w budowaniu technologicznego know-how potrzebnego do interpretacji potencjalnych oznak zdatności do zamieszkania w przyszłości.
„Planety są rzeźbione i przekształcane poprzez orbitowanie w kąpieli radiacyjnej gwiazdy macierzystej” – stwierdził Batalha. „Na Ziemi te przemiany pozwalają na rozwój życia”.
Bliskość planety do gwiazdy macierzystej — osiem razy bliżej niż rtęć jest dla nas Niedz — czyni z niego także laboratorium do badania wpływu promieniowania gwiazd macierzystych na egzoplanety. Lepsza wiedza na temat powiązań gwiazda-planeta powinna pozwolić na głębsze zrozumienie wpływu tych procesów na różnorodność planet obserwowanych w galaktyce.
Inne składniki atmosfery wykryte przez teleskop Webba obejmują sód (Na), potas (K) i parę wodną (H2O), co potwierdza wcześniejsze obserwacje teleskopów kosmicznych i naziemnych, a także pozwala znaleźć dodatkowe ślady wody na tych dłuższych falach, czego wcześniej nie widziano.
Webb też to widział dwutlenek węgla (CO2) w wyższej rozdzielczości, dostarczając dwukrotnie więcej danych niż podano w poprzednich obserwacjach. W międzyczasie wykryto tlenek węgla (CO), ale w danych Webba nie było wyraźnych śladów metanu (CH4) i siarkowodoru (H2S). Jeśli są obecne, cząsteczki te występują na bardzo niskich poziomach.
Aby uchwycić szerokie spektrum atmosfery WASP-39 b, międzynarodowy zespół liczący setki niezależnie przeanalizowanych danych z czterech precyzyjnie skalibrowanych trybów instrumentów teleskopu Webba.
„Przewidywaliśmy, co pokaże nam [teleskop], ale okazało się to dokładniejsze, bardziej różnorodne i piękniejsze, niż mi się wydawało” powiedziała Hannah Wakeford, astrofizyk z Uniwersytetu w Bristolu w Wielkiej Brytanii, która bada atmosfery egzoplanet.
Posiadanie tak kompletnego zestawu składników chemicznych w atmosferze egzoplanety daje także naukowcom wgląd w obfitość różnych pierwiastków w stosunku do siebie, na przykład stosunek węgla do tlenu lub potasu do tlenu. To z kolei dostarcza wglądu w to, jak ta planeta – i być może inne – powstała z dysku gazu i pyłu otaczającego gwiazdę macierzystą w jej młodszych latach.
Inwentarz chemiczny WASP-39 b sugeruje historię zderzeń i łączenia się mniejszych ciał zwanych planetozymalami, których efektem było stworzenie ostatecznego goliata planety.
„Obfitość siarki [w stosunku do] wodoru wskazuje, że na planecie prawdopodobnie doszło do znacznej akrecji planetozymali, które mogą dostarczać [te składniki] do atmosfery” – powiedział Kazumasa Ohno, badacz egzoplanet z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, który pracował na danych Webba. „Dane wskazują również, że tlenu w atmosferze jest znacznie więcej niż węgla. To potencjalnie wskazuje, że WASP-39 b pierwotnie powstał daleko od gwiazdy centralnej.”
Dokładnie ujawniając szczegóły atmosfery egzoplanet, instrumenty teleskopu Webba działały znacznie powyżej oczekiwań naukowców i stanowią obietnicę rozpoczęcia nowej fazy badań szerokiej gamy egzoplanet w kosmosie galaktyka.
„Będziemy mogli zobaczyć szerszy obraz atmosfer egzoplanet” – dodał. powiedziany Laura Flagg, badaczka z Cornell University i członkini międzynarodowego zespołu. „To niezwykle ekscytujące wiedzieć, że wszystko zostanie napisane od nowa. To jedna z najlepszych części bycia naukowcem”.
Odniesienia do czasopism:
- Lili Alderson i in. Nauka o wczesnym wydaniu egzoplanety WASP-39b za pomocą JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov i in. Wczesna publikacja naukowa o egzoplanecie WASP-39b za pomocą JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer i in. Wczesna publikacja naukowa o egzoplanecie WASP-39b za pomocą JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein i in. Wczesne wydanie naukowe egzoplanety WASP-39b z JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai i in. Bezpośrednie dowody fotochemii w atmosferze egzoplanety. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
