Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba z NASA uchwycił pierwszy wyraźny dowód na obecność dwutlenku węgla w atmosferze planety poza Układem Słonecznym. Ta obserwacja gazowego giganta krążącego wokół gwiazdy podobnej do Słońca w odległości 700 lat świetlnych dostarcza ważnych informacji na temat składu i formowania się planety. Odkrycie, zaakceptowane do publikacji w Nature, dostarcza dowodów na to, że w przyszłości Webb może być w stanie wykrywać i mierzyć dwutlenek węgla w cieńszej atmosferze mniejszych planet skalistych.
WASP-39 b to gorący gazowy olbrzym o masie około jednej czwartej masy Jowisza (mniej więcej takiej samej jak Saturn) i średnicy 1,3 razy większej niż Jowisz. Jego ekstremalna opuchlizna jest częściowo związana z wysoką temperaturą (około 1600 stopni Fahrenheita lub 900 stopni Celsjusza). W przeciwieństwie do chłodniejszych, bardziej zwartych gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym, WASP-39 b krąży bardzo blisko swojej gwiazdy – tylko około jednej ósmej odległości między Słońcem a Merkurym – wykonując jeden obieg w nieco ponad cztery ziemskie dni. Odkrycie planety, zgłoszone w 2011 roku, zostało dokonane na podstawie naziemnych odkryć subtelnego, okresowego przyciemniania światła gwiazdy macierzystej, gdy planeta przechodzi lub przechodzi przed gwiazdą.
Wcześniejsze obserwacje z innych teleskopów, w tym teleskopów kosmicznych Hubble’a i Spitzera, ujawniły obecność pary wodnej, sodu i potasu w atmosferze planety. Niezrównana czułość Webba na podczerwień potwierdziła obecność dwutlenku węgla również na tej planecie.
Filtrowane światło gwiazd
Planety tranzytowe, takie jak WASP-39 b, których orbity obserwujemy z boku, a nie z góry, mogą zapewnić badaczom idealne możliwości badania atmosfer planetarnych.
Podczas tranzytu część światła gwiazd zostaje całkowicie przyćmiona przez planetę (powodując ogólne przyciemnienie), a część jest transmitowana przez atmosferę planety.
Ponieważ różne gazy pochłaniają różne kombinacje kolorów, naukowcy mogą analizować niewielkie różnice w jasności transmitowanego światła w różnych długościach fal, aby dokładnie określić, z czego zbudowana jest atmosfera. Dzięki połączeniu nadmuchanej atmosfery i częstych tranzytów WASP-39 b jest idealnym obiektem do spektroskopii transmisyjnej.
Pierwsze wyraźne wykrycie dwutlenku węgla
Zespół badawczy wykorzystał spektrograf bliskiej podczerwieni Webba (NIRSpec) do obserwacji WASP-39b. W powstałym widmie atmosfery egzoplanety, niewielkie wzgórze o wielkości od 4,1 do 4,6 mikrona stanowi pierwszy wyraźny, szczegółowy dowód na istnienie dwutlenku węgla, jaki kiedykolwiek wykryto na planecie poza Układem Słonecznym.
„Gdy tylko dane pojawiły się na moim ekranie, chwycił mnie potężny dwutlenek węgla” – powiedział Zafar Rustamkulov, absolwent Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa i członek zespołu naukowego JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science, który podjął się tego badania. „To był wyjątkowy moment, przekroczenie ważnego progu w naukach o egzoplanetach”.
Żadne obserwatorium nigdy wcześniej nie zmierzyło tak subtelnych różnic w jasności tak wielu pojedynczych kolorów w zakresie od 3 do 5,5 mikrona w widmie transmisyjnym egzoplanety. Dostęp do tej części widma ma kluczowe znaczenie dla pomiaru obfitości gazów, takich jak woda i metan, a także dwutlenku węgla, które, jak się uważa, występują w wielu różnych typach egzoplanet.
„Wykrycie tak wyraźnego sygnału dwutlenku węgla na WASP-39 b dobrze wróży wykrywaniu atmosfer na mniejszych planetach wielkości Ziemi” – powiedziała Natalie Batalha z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, która kieruje zespołem.
Zrozumienie składu atmosfery planety jest ważne, ponieważ mówi nam coś o pochodzeniu planety io tym, jak ewoluowała. „Cząsteczki dwutlenku węgla są czułymi znacznikami historii formowania się planet” – powiedział Mike Line z Arizona State University, inny członek zespołu badawczego. „Dzięki pomiarom tej cechy dwutlenku węgla możemy określić, ile ciał stałych w porównaniu z ilością materiału gazowego zostało zużytych do utworzenia tej gazowej gigantycznej planety. W nadchodzącej dekadzie JWST dokona tego pomiaru dla różnych planet, zapewniając wgląd w szczegóły jak powstają planety i jaka jest wyjątkowość naszego Układu Słonecznego”.
Nauka o wczesnym wydaniu
Ta obserwacja WASP-39 b przez pryzmat NIRSpec jest tylko częścią większego badania, które obejmuje obserwacje planety za pomocą wielu instrumentów Webba, a także obserwacje dwóch innych planet przechodzących przez tranzyt. Badanie, które jest częścią programu Early Release Science, miało na celu jak najszybsze dostarczenie społeczności badawczej egzoplanet solidnych danych Webb.
„Celem jest szybka analiza obserwacji Early Release Science i opracowanie narzędzi open source do wykorzystania przez społeczność naukową” – wyjaśniła Vivien Parmentier, współbadaczka z Uniwersytetu Oksfordzkiego. „Umożliwia to wkład z całego świata i gwarantuje, że w nadchodzących dziesięcioleciach obserwacji wyjdzie najlepsza możliwa nauka”.
Natasha Batalha, współautorka artykułu z NASA Ames Research Center, dodaje, że „zasady przewodnie otwartej nauki NASA są skoncentrowane na naszej pracy naukowej w zakresie wczesnego uwalniania, wspierając integracyjny, przejrzysty i oparty na współpracy proces naukowy”.