Космічний телескоп NASA/ESA/CSA Джеймса Вебба став ще одним першим: молекулярний і хімічний портрет неба далекого світу. Тоді як Вебб та інші космічні телескопи, включаючи NASA/ESA Космічний телескоп Хаббла, раніше виявили ізольовані інгредієнти атмосфери цієї розігрітої планети, нові показання надають повне меню атомів, молекул і навіть ознак активної хімії та хмар. Останні дані також натякають на те, як ці хмари можуть виглядати зблизька: розбитими, а не єдиною однорідною ковдрою над планетою.
Сприйнятливі прилади телескопа були налаштовані на атмосферу WASP-39 b, «гарячого Сатурна» (планети приблизно такої ж масивної, як Сатурн, але на орбіті ближче, ніж Меркурій), що обертається навколо зірки приблизно за 700 світлових років від нас. Це розміром із Сатурн екзопланета був одним із перших досліджених NASA/ESA/CSA Джеймс Вебб космічний телескоп коли він почав регулярну наукову діяльність. Результати схвилювали наукове співтовариство екзопланет. Вишукано чутливі інструменти Webb надали профіль атмосферних складових WASP-39 b і ідентифікували безліч вмісту, в тому числі води, діоксид сірки, чадний газ, натрій і калій.
Отримані дані вказують на здатність інструментів Вебба проводити широкий спектр досліджень екзопланет — планет навколо інших зірок — на які сподівається наукова спільнота. Це включає зондування атмосфери менших кам’янистих планет, таких як у системі TRAPPIST-1.
«Ми спостерігали за екзопланетою за допомогою кількох інструментів, які разом охоплюють широку смугу інфрачервоного спектру та масу хімічних відбитків, недоступних до JWST», сказала Наталі Баталья, астроном з Каліфорнійського університету в Санта-Круз, яка брала участь у новому дослідженні та допомогла його координувати. «Такі дані змінюють правила гри».
Набір відкриттів детально описується в наборі з п’яти нових наукових статей, три з яких знаходяться в пресі, а дві – на розгляді. Серед безпрецедентних відкриттів – перше виявлення в атмосфері екзопланети діоксид сірки, молекула, що утворюється в результаті хімічних реакцій, викликаних світлом високої енергії від материнської зірки планети. На Землі захисний озоновий шар у верхніх шарах атмосфери створюється подібним чином.
«Це перший раз, коли ми побачили конкретні докази фотохімії — хімічних реакцій, ініційованих енергійним світлом зірок — на екзопланетах», сказав Шан-Мін Цай, дослідник Оксфордського університету у Великобританії та провідний автор статті, що пояснює походження діоксиду сірки в атмосфері WASP-39 b. «Я вважаю це справді багатообіцяючою перспективою для вдосконалення нашого розуміння атмосфери екзопланет з [цією місією]».
Це призвело до ще одного першого: вчені застосували комп’ютерні моделі фотохімії до даних, які потребують повного пояснення такої фізики. Отримані вдосконалення в моделюванні допоможуть створити технологічні ноу-хау, необхідні для інтерпретації потенційних ознак придатності для проживання в майбутньому.
«Планети формуються та трансформуються, обертаючись у радіаційній ванні зірки-господаря», – сказав Баталья. «На Землі ці перетворення дозволяють процвітати життю».
Близькість планети до рідної зірки — у вісім разів ближче, ніж Меркурій є нашим Sun — також робить його лабораторією для вивчення впливу випромінювання зірок-господарів на екзопланети. Кращі знання про зв’язок зірок і планет мають принести глибше розуміння того, як ці процеси впливають на різноманітність планет, які спостерігаються в галактиці.
Інші компоненти атмосфери, виявлені телескопом Webb, включають натрій (Na), калій (K) і водяну пару (H2O), підтверджуючи попередні спостереження космічного та наземного телескопів, а також знаходячи додаткові відбитки води на цих довших хвилях, яких раніше не бачили.
Вебб теж бачив вуглекислий газ (CO2) із вищою роздільною здатністю, надаючи вдвічі більше даних, ніж було отримано з попередніх спостережень. Тим часом було виявлено окис вуглецю (CO), але очевидні ознаки метану (CH4) і сірководню (H2S) були відсутні в даних Webb. Якщо присутні, ці молекули зустрічаються на дуже низьких рівнях.
Щоб зафіксувати цей широкий спектр атмосфери WASP-39 b, міжнародна команда, яка налічує сотні незалежно один від одного проаналізувала дані чотирьох точно відкаліброваних режимів приладів телескопа Вебба.
«Ми передбачили, що нам покаже [телескоп], але воно було точнішим, різноманітнішим і красивішим, ніж я думав, що насправді це буде», сказала Ханна Уейкфорд, астрофізик з Брістольського університету у Великобританії, яка досліджує атмосфери екзопланет.
Наявність такого повного переліку хімічних інгредієнтів в атмосфері екзопланети також дає вченим можливість уявити велику кількість різних елементів по відношенню один до одного, наприклад, співвідношення вуглецю до кисню або калію до кисню. Це, у свою чергу, дає зрозуміти, як ця планета — і, можливо, інші — утворилися з диска газу та пилу, що оточував материнську зірку в молоді роки.
Хімічний інвентар WASP-39 b свідчить про історію руйнувань і злиття менших тіл, які називаються планетезималями, для створення остаточного голіафа планети.
«Великий вміст сірки [відносно] водню вказує на те, що на планеті, імовірно, відбулося значне накопичення планетезималей, які можуть доставити [ці інгредієнти] в атмосферу», — сказав він. Казумаса Оно, дослідник екзопланет Каліфорнійського університету в Санта-Крус, який працював над даними Вебба. «Дані також показують, що кисню в атмосфері набагато більше, ніж вуглецю. Це потенційно вказує на те, що WASP-39 b спочатку сформувався далеко від центральної зірки».
Виявляючи точні деталі атмосфери екзопланети, інструменти телескопа Вебба перевершили очікування вчених і обіцяють новий етап дослідження широкого спектру екзопланет у світі. галактика.
«Ми зможемо побачити загальну картину атмосфер екзопланет», сказав Лаура Флегг, дослідниця Корнельського університету та член міжнародної команди. «Неймовірно хвилююче знати, що все буде переписано. Це одна з найкращих сторін вченого».
Посилання на журнал:
- Лілі Олдерсон та ін. Наука про ранні випуски екзопланети WASP-39b з JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- З. Рустамкулов та ін. Рання наукова публікація екзопланети WASP-39b з JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Єва-Марія Арер та ін. Рання наукова публікація екзопланети WASP-39b за допомогою JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein та ін. Рання наукова публікація екзопланети WASP-39b з JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai та ін. Прямі докази фотохімії в атмосфері екзопланети. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
