Webb dezvăluie o atmosferă de exoplanetă așa cum nu s-a mai văzut până acum

Telescopul spațial James Webb NASA/ESA/CSA a înregistrat o altă premieră: un portret molecular și chimic al cerului unei lumi îndepărtate. În timp ce Webb și alte telescoape spațiale, inclusiv NASA/ESA Telescopul spațial Hubble, au dezvăluit anterior ingrediente izolate ale atmosferei acestei planete încălzite, noile citiri oferă un meniu complet de atomi, molecule și chiar semne de chimie activă și nori. Cele mai recente date indică, de asemenea, modul în care acești nori ar putea arăta de aproape: desfășurați mai degrabă decât ca o singură pătură uniformă peste planetă.

Instrumentele sensibile ale telescopului au fost antrenate pe atmosfera lui WASP-39 b, un „Saturn fierbinte” (o planetă cam la fel de masivă ca Saturn, dar pe orbită mai strânsă decât Mercur) care orbitează în jurul unei stele aflate la aproximativ 700 de ani lumină depărtare. Aceasta de dimensiunea lui Saturn exoplaneta a fost unul dintre primele examinate de NASA/ESA/CSA Telescopul spațial James Webb când a început operațiunile științifice regulate. Rezultatele au entuziasmat comunitatea științei exoplanetelor. Instrumentele extrem de sensibile ale lui Webb au oferit un profil al constituenților atmosferici ai WASP-39 b și au identificat o multitudine de conținut, inclusiv de apă, dioxid de sulf, monoxid de carbon, sodiu și potasiu.

Descoperirile sunt de bun augur pentru capacitatea instrumentelor lui Webb de a efectua o gamă largă de investigații asupra exoplanetelor - planete din jurul altor stele - sperate de comunitatea științifică. Aceasta include sondarea atmosferelor planetelor mai mici, stâncoase, precum cele din sistemul TRAPPIST-1.

„Am observat exoplaneta cu mai multe instrumente care acoperă împreună o zonă largă a spectrului infraroșu și o panoplie de amprente chimice inaccesibile până la JWST.” a spus Natalie Batalha, astronom la Universitatea din California, Santa Cruz, care a contribuit și a ajutat la coordonarea noii cercetări. „Date ca acestea sunt o schimbare de joc.”

Suita de descoperiri este detaliată într-un set de cinci lucrări științifice noi, dintre care trei sunt în presă și două sunt în curs de revizuire. Printre revelațiile fără precedent se numără și prima detectare într-o atmosferă de exoplanetă a dioxid de sulf, o moleculă produsă din reacții chimice declanșate de lumina de înaltă energie de la steaua părinte a planetei. Pe Pământ, stratul protector de ozon din atmosfera superioară este creat într-un mod similar.

„Este prima dată când vedem dovezi concrete ale fotochimiei – reacții chimice inițiate de lumina energetică a stelelor – pe exoplanete.” a spus Shang-Min Tsai, cercetător la Universitatea Oxford din Regatul Unit și autor principal al lucrării care explică originea dioxidului de sulf în atmosfera lui WASP-39 b. „Văd acest lucru ca pe o perspectivă cu adevărat promițătoare pentru a îmbunătăți înțelegerea noastră atmosfere exoplanetelor cu [această misiune]”.

Acest lucru a condus la o altă premieră: oamenii de știință care aplică modele computerizate de fotochimie la date care necesită explicarea completă a unei astfel de fizice. Îmbunătățirile rezultate în modelare vor ajuta la construirea cunoștințelor tehnologice necesare pentru a interpreta potențiale semne de locuință în viitor.

„Planetele sunt sculptate și transformate orbitând în baia de radiații a stelei gazdă.” spuse Batalha. „Pe Pământ, acele transformări permit vieții să prospere.”

Apropierea planetei de steaua gazdă – de opt ori mai aproape decât mercur este pentru noi soare — face, de asemenea, un laborator pentru studierea efectelor radiațiilor de la stelele gazdă pe exoplanete. O mai bună cunoaștere a conexiunii stea-planetă ar trebui să aducă o înțelegere mai profundă a modului în care aceste procese afectează diversitatea planetelor observate în galaxie.

Alți constituenți atmosferici detectați de telescopul Webb includ sodiu (Na), potasiu (K) și vapori de apă (H2O), confirmând observațiile anterioare ale telescopului spațial și terestre, precum și găsirea de amprente suplimentare de apă, la aceste lungimi de undă mai lungi, care nu s-au mai văzut până acum.

Webb a văzut și el dioxid de carbon (CO2) la rezoluție mai mare, oferind de două ori mai multe date decât cele raportate din observațiile sale anterioare. Între timp, a fost detectat monoxid de carbon (CO), dar semnăturile evidente atât ale metanului (CH4) cât și ale hidrogenului sulfurat (H2S) au fost absente din datele Webb. Dacă sunt prezente, aceste molecule apar la niveluri foarte scăzute.

Pentru a capta acest spectru larg al atmosferei lui WASP-39 b, o echipă internațională în număr de sute a analizat în mod independent datele din patru dintre modurile instrumentelor fin calibrate ale telescopului Webb.

„Am prezis ce ne va arăta [telescopul], dar a fost mai precis, mai divers și mai frumos decât cred că am crezut de fapt că va fi.” a spus Hannah Wakeford, un astrofizician la Universitatea Bristol din Regatul Unit care investighează atmosferele exoplanetelor.

Având o listă atât de completă de ingrediente chimice într-o atmosferă de exoplanetă, oferă, de asemenea, oamenilor de știință o privire asupra abundenței diferitelor elemente în relație între ele, cum ar fi raportul carbon-oxigen sau potasiu-oxigen. Aceasta, la rândul său, oferă o perspectivă asupra modului în care această planetă – și poate altele – s-a format din discul de gaz și praf care înconjura steaua părinte în anii ei mai tineri.

Inventarul chimic al lui WASP-39 b sugerează o istorie a spargerii și fuziunilor de corpuri mai mici numite planetezimale pentru a crea un eventual goliat al unei planete.

„Abundența de sulf [în raport cu] hidrogenul a indicat că planeta probabil a experimentat o acumulare semnificativă de planetezimale care pot livra [aceste ingrediente] în atmosferă”, a spus Kazumasa Ohno, un cercetător al exoplanetelor UC Santa Cruz care a lucrat la datele Webb. „Datele indică, de asemenea, că oxigenul este mult mai abundent decât carbonul din atmosferă. Acest lucru indică potențial că WASP-39 b sa format inițial departe de steaua centrală.”

Dezvăluind cu precizie detaliile atmosferei unei exoplanete, instrumentele telescopului Webb au funcționat cu mult peste așteptările oamenilor de știință și promit o nouă fază de explorare a marii varietăți de exoplanete din galaxie.

„Vom putea vedea imaginea de ansamblu a atmosferelor exoplanetelor”, a spus Laura Flagg, cercetător la Universitatea Cornell și membru al echipei internaționale. „Este incredibil de interesant să știu că totul va fi rescris. Aceasta este una dintre cele mai bune părți ale a fi om de știință.”

Referințe jurnal:

1. Lili Alderson et al. Știința de lansare timpurie a exoplanetei WASP-39b cu JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
2. Z. Rustamkulov et al. Stiinta de lansare timpurie a exoplanetei WASP-39b cu JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
3. Eva-Maria Ahrer și colab. Stiinta de lansare timpurie a exoplanetei WASP-39b cu JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
4. Adina D. Feinstein et al. Știința de lansare timpurie a exoplanetei WASP-39b cu JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
5. Shang-Min Tsai și colab. Dovezi directe ale fotochimiei într-o atmosferă exoplanetă. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490