Webb avslöjar en exoplanetatmosfär som aldrig setts förut

NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop gjorde ännu ett första: ett molekylärt och kemiskt porträtt av en avlägsen världs himmel. Medan Webb och andra rymdteleskop, inklusive NASA/ESA Hubble rymdteleskop, har tidigare avslöjat isolerade ingredienser i denna uppvärmda planets atmosfär, ger de nya avläsningarna en fullständig meny av atomer, molekyler och till och med tecken på aktiv kemi och moln. De senaste uppgifterna antyder också hur dessa moln kan se ut på nära håll: uppdelade snarare än som en enda enhetlig filt över planeten.

Teleskopets känsliga instrument tränades på atmosfären av WASP-39 b, en "het Saturnus" (en planet ungefär lika massiv som Saturnus men i omloppsbana snävare än Merkurius) som kretsar runt en stjärna cirka 700 ljusår bort. Denna Saturnus-storlek exoplanet var en av de första som undersöktes av NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop när det började regelbundet vetenskapsverksamhet. Resultaten har upphetsat exoplanetvetenskapsgemenskapen. Webbs utsökt känsliga instrument har gett en profil av WASP-39 b:s atmosfäriska beståndsdelar och identifierat en uppsjö av innehåll, inklusive vatten, svaveldioxid, kolmonoxid, natrium och kalium.

Fynden bådar gott för förmågan hos Webbs instrument att utföra det breda utbudet av undersökningar av exoplaneter - planeter runt andra stjärnor - som vetenskapsgemenskapen hoppas på. Det inkluderar att undersöka atmosfären på mindre, steniga planeter som de i TRAPPIST-1-systemet.

"Vi observerade exoplaneten med flera instrument som tillsammans täcker en bred sträcka av det infraröda spektrumet och en mängd kemiska fingeravtryck otillgängliga fram till JWST," sa Natalie Batalha, en astronom vid University of California, Santa Cruz, som bidrog till och hjälpte till att koordinera den nya forskningen. "Data som dessa är en game changer."

Upptäcktssviten beskrivs i en uppsättning av fem nya vetenskapliga artiklar, varav tre är under press och två är under granskning. Bland de aldrig tidigare skådade uppenbarelserna är den första upptäckten i en exoplanetatmosfär av Svaveldioxid, en molekyl som produceras av kemiska reaktioner som utlöses av högenergiljus från planetens moderstjärna. På jorden skapas det skyddande ozonskiktet i den övre atmosfären på liknande sätt.

"Detta är första gången vi har sett konkreta bevis på fotokemi - kemiska reaktioner initierade av energiskt stjärnljus - på exoplaneter," sa Shang-Min Tsai, en forskare vid University of Oxford i Storbritannien och huvudförfattare till artikeln som förklarar ursprunget till svaveldioxid i WASP-39 b:s atmosfär. "Jag ser det här som en riktigt lovande utsikt för att förbättra vår förståelse för exoplanetatmosfärer med [detta uppdrag].”

Detta ledde till en annan första: forskare tillämpar datormodeller av fotokemi på data som kräver att sådan fysik förklaras fullständigt. De resulterande förbättringarna av modellering kommer att bidra till att bygga upp det tekniska kunnande som behövs för att tolka potentiella tecken på beboelighet i framtiden.

"Planeter skulpteras och omvandlas genom att kretsa i värdstjärnans strålningsbad," sa Batalha. "På jorden tillåter dessa omvandlingar livet att frodas."

Planetens närhet till sin värdstjärna — åtta gånger närmare än kvicksilver är till vår sol — gör det också till ett laboratorium för att studera effekterna av strålning från värdstjärnor på exoplaneter. Bättre kunskap om sambandet mellan stjärna och planet bör ge en djupare förståelse för hur dessa processer påverkar mångfalden av planeter som observeras i galaxen.

Andra atmosfäriska beståndsdelar som upptäckts av Webb-teleskopet inkluderar natrium (Na), kalium (K) och vattenånga (H2O), vilket bekräftar tidigare rymd- och markbaserade teleskopobservationer samt att hitta ytterligare fingeravtryck av vatten, vid dessa längre våglängder, som inte har setts förut.

Webb såg också koldioxid (CO2) vid högre upplösning, vilket ger dubbelt så mycket data som rapporterats från tidigare observationer. Samtidigt upptäcktes kolmonoxid (CO), men uppenbara signaturer av både metan (CH4) och vätesulfid (H2S) saknades i Webb-data. Om de finns förekommer dessa molekyler i mycket låga nivåer.

För att fånga detta breda spektrum av WASP-39 b:s atmosfär analyserade ett internationellt team som numrerade i hundratals oberoende data från fyra av Webb-teleskopets fint kalibrerade instrumentlägen.

"Vi hade förutspått vad [teleskopet] skulle visa oss, men det var mer exakt, mer varierat och vackrare än jag tror att jag faktiskt trodde att det skulle vara." sa Hannah Wakeford, en astrofysiker vid University of Bristol i Storbritannien som undersöker exoplanetatmosfärer.

Att ha en sådan komplett lista av kemiska ingredienser i en exoplanetatmosfär ger också forskare en glimt av överflödet av olika grundämnen i förhållande till varandra, såsom förhållandet mellan kol och syre eller kalium till syre. Det ger i sin tur insikt i hur den här planeten - och kanske andra - bildades ur skivan av gas och damm som omgav moderstjärnan i sina yngre år.

WASP-39 b:s kemiska inventering antyder en historia av smashups och sammanslagningar av mindre kroppar som kallas planetesimals för att skapa en eventuell goliat av en planet.

"Förekomsten av svavel [i förhållande till] väte indikerade att planeten förmodligen upplevde en betydande ansamling av planetesimaler som kan leverera [dessa ingredienser] till atmosfären," sa Kazumasa Ohno, en exoplanetforskare från UC Santa Cruz som arbetade med Webb-data. "Uppgifterna indikerar också att syret är mycket rikligare än kolet i atmosfären. Detta indikerar potentiellt att WASP-39 b ursprungligen bildades långt borta från den centrala stjärnan."

Genom att exakt avslöja detaljerna i en exoplanetatmosfär presterade Webb-teleskopets instrument långt över forskarnas förväntningar - och lovar en ny fas av utforskning av den breda variationen av exoplaneter i galax.

"Vi kommer att kunna se den stora bilden av exoplanetatmosfärer," sade Laura Flagg, forskare vid Cornell University och medlem av det internationella teamet. ”Det är otroligt spännande att veta att allt kommer att skrivas om. Det är en av de bästa delarna med att vara vetenskapsman.”

Tidskriftsreferenser:

1. Lili Alderson et al. Vetenskap om tidig utgivning av exoplaneten WASP-39b med JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
2. Z. Rustamkulov et al. Vetenskap om tidig utgivning av exoplaneten WASP-39b med JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
3. Eva-Maria Ahrer et al. Vetenskap om tidig utgivning av exoplaneten WASP-39b med JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
4. Adina D. Feinstein et al. Vetenskap om tidig utgivning av exoplaneten WASP-39b med JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
5. Shang-Min Tsai et al. Direkta bevis på fotokemi i en exoplanetatmosfär. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490