Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) właśnie uzyskał kolejny pierwszy wynik: szczegółowy portret molekularny i chemiczny nieba odległego świata.
Szereg bardzo czułych instrumentów teleskopu został skierowany na atmosferę „gorącego Saturna” – planety o masie zbliżonej do Saturna, krążącej wokół gwiazdy oddalonej o około 700 lat świetlnych – znanej jako WASP-39 b. Podczas gdy JWST i inne teleskopy kosmiczne, w tym Hubble i Spitzer, wcześniej ujawniły pojedyncze składniki atmosfery tej gotującej się planety, nowe odczyty dostarczają pełnego menu atomów, cząsteczek, a nawet oznak aktywnej chemii i chmur.
“Wyraźność sygnałów z wielu różnych cząsteczek w danych jest niezwykła” – mówi Mercedes López-Morales, astronom z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian i jeden z naukowców, którzy przyczynili się do nowych wyników.
„Przewidywaliśmy, że zobaczymy wiele z tych sygnałów, ale kiedy po raz pierwszy zobaczyłem dane, byłem pod wrażeniem” – dodaje López-Morales.
Najnowsze dane dają również wskazówkę, jak te chmury na egzoplanetach mogą wyglądać z bliska: rozbite, a nie pojedynczy, jednolity koc pokrywający planetę.
Odkrycia dobrze wróżą zdolności JWST do prowadzenia szerokiego zakresu badań egzoplanet – planet krążących wokół innych gwiazd – na jakie liczyli naukowcy. Obejmuje to badanie atmosfer mniejszych, skalistych planet, takich jak te w systemie TRAPPIST-1.
„Obserwowaliśmy egzoplanetę za pomocą wielu instrumentów, które razem zapewniają szeroki zakres widma w podczerwieni i wachlarz chemicznych odcisków palców niedostępnych przed JWST” – powiedziała Natalie Batalha, astronom z University of California w Santa Cruz, która przyczyniła się do i pomógł koordynować nowe badania. „Dane takie jak te zmieniają reguły gry”.
Zestaw odkryć jest szczegółowo opisany w zestawie pięciu nowo przesłanych artykułów naukowych, dostępnych na stronie preprint arXiv. Wśród bezprecedensowych odkryć jest pierwsze wykrycie w atmosferze egzoplanety dwutlenku siarki, cząsteczki powstałej w wyniku reakcji chemicznych wywołanych przez wysokoenergetyczne światło gwiazdy macierzystej planety. Na Ziemi w podobny sposób powstaje ochronna warstwa ozonowa w górnych warstwach atmosfery.
„Zaskakujące odkrycie dwutlenku siarki ostatecznie potwierdza, że fotochemia kształtuje klimat gorących Saturnów” — mówi Diana Powell, stypendystka NASA Hubble, astronom z Centrum Astrofizyki i główna członkini zespołu, który dokonał odkrycia dwutlenku siarki. „Klimat Ziemi jest również kształtowany przez fotochemię, więc nasza planeta ma więcej wspólnego z„ gorącymi Saturnami ”, niż wcześniej sądziliśmy!”
Jea Adams, absolwentka Harvardu i badaczka z Centrum Astrofizyki, przeanalizowała dane, które potwierdziły sygnał dwutlenku siarki.
„Jako początkujący badacz w dziedzinie atmosfer egzoplanet, bycie częścią takiego odkrycia jest ekscytujące” – mówi Adams. „Proces analizy tych danych wydawał się magiczny. We wczesnych danych widzieliśmy wskazówki dotyczące tej cechy, ale ten instrument o wyższej precyzji wyraźnie ujawnił sygnaturę SO2 i pomógł nam rozwiązać zagadkę”.
Uważa się, że przy szacowanej temperaturze 1600 stopni Fahrenheita i atmosferze składającej się głównie z wodoru WASP-39 b nie nadaje się do zamieszkania. Egzoplaneta została porównana zarówno do Saturna, jak i Jowisza, z masą podobną do Saturna, ale całkowitymi rozmiarami tak dużymi jak Jowisz. Ale nowa praca wskazuje drogę do znalezienia dowodów na istnienie życia na planecie nadającej się do zamieszkania.
Bliskość planety do gwiazdy macierzystej – osiem razy bliżej niż Merkury do Słońca – czyni z niej również laboratorium do badania wpływu promieniowania gwiazd macierzystych na egzoplanety. Lepsza wiedza o powiązaniach gwiazda-planeta powinna pozwolić na głębsze zrozumienie, w jaki sposób procesy te tworzą różnorodność planet obserwowanych w galaktyce.
Inne składniki atmosfery wykryte przez JWST to sód, potas i para wodna, co potwierdza wcześniejsze obserwacje z kosmosu i naziemnych teleskopów, a także odnajduje dodatkowe cechy wody na dłuższych falach, których wcześniej nie widziano.
JWST zaobserwował również dwutlenek węgla w wyższej rozdzielczości, dostarczając dwa razy więcej danych niż w poprzednich obserwacjach. W międzyczasie wykryto tlenek węgla, ale w danych nie było oczywistych sygnatur zarówno metanu, jak i siarkowodoru. Jeśli są obecne, cząsteczki te występują na bardzo niskich poziomach, co jest znaczącym odkryciem dla naukowców dokonujących inwentaryzacji chemii egzoplanet w celu lepszego zrozumienia powstawania i rozwoju tych odległych światów.
Uchwycenie tak szerokiego spektrum atmosfery WASP-39 b było naukowym majstersztykiem, ponieważ międzynarodowy zespół liczący setki niezależnie przeanalizowanych danych z czterech precyzyjnie skalibrowanych trybów instrumentów JWST. Następnie dokonali szczegółowych porównań między swoimi odkryciami, uzyskując jeszcze bardziej dopracowane naukowo wyniki.
JWST widzi wszechświat w świetle podczerwonym, na czerwonym końcu widma światła poza tym, co widzą ludzkie oczy; co pozwala teleskopowi wykryć chemiczne odciski palców, których nie można wykryć w świetle widzialnym.
Każdy z trzech instrumentów ma nawet w nazwie jakąś wersję „IR” podczerwieni: NIRSpec, NIRCam i NIRISS.
Aby zobaczyć światło z WASP-39 b, JWST śledził planetę, gdy przechodziła przed swoją gwiazdą, pozwalając części światła gwiazdy przefiltrować przez atmosferę planety. Różne rodzaje substancji chemicznych w atmosferze pochłaniają różne kolory widma światła gwiazd, więc brakujące kolory mówią astronomom, które cząsteczki są obecne.
Dzięki tak precyzyjnej analizie atmosfery egzoplanet, instrumenty JWST działały znacznie powyżej oczekiwań naukowców – i obiecują nową fazę eksploracji szerokiej gamy egzoplanet w galaktyce.
López-Morales mówi: „Nie mogę się doczekać, aby zobaczyć, co znajdziemy w atmosferach małych planet skalistych”.