Вебб вперше виявив вуглекислий газ в атмосфері екзопланети

Космічний телескоп Джеймса Вебба знайшов остаточні докази наявності вуглекислого газу в атмосфері газової планети-гіганта, що обертається навколо зірки, схожої на Сонце, за 700 світлових років від нас. Результат дає важливу інформацію про склад і формування планети, а також свідчить про здатність Вебба також виявляти та вимірювати вуглекислий газ у тоншій атмосфері менших кам’янистих планет.

WASP-39 b

WASP-39 b — це гарячий газовий гігант із масою приблизно в чверть меншої за масу Юпітера (приблизно стільки ж, скільки Сатурн), а діаметром у 1,3 рази більше, ніж у Юпітера. Його надзвичайна набряклість частково пов’язана з його високою температурою (близько 900 °C). На відміну від холодніших і компактніших газових гігантів у нашій Сонячній системі, WASP-39 b обертається дуже близько до своєї головної зірки — лише на одній восьмій відстані між Сонцем і Меркурієм — завершуючи один круг за трохи більше чотирьох земних днів. Відкриття планети, про яке було повідомлено в 2011 році, ґрунтувалося на наземних виявленнях тонкого, періодичного затемнення світла від зірки, коли планета проходить перед зіркою.

Транзитні планети, такі як WASP-39 b, орбіти яких ми спостерігаємо з ребра, а не згори, можуть надати дослідникам ідеальні можливості для дослідження атмосфер планет.

Під час транзиту частина зоряного світла повністю затемнюється планетою (спричиняючи загальне затемнення), а частина проходить через атмосферу планети. Атмосфера відфільтровує одні кольори сильніше, ніж інші, залежно від таких факторів, як те, з чого вона складається, наскільки вона густа та чи є хмари чи ні. (Ми спостерігаємо цей ефект у нашій власній атмосфері, оскільки колір і якість денного світла змінюються залежно від того, наскільки туманним або вологим є повітря або від того, де на небі знаходиться Сонце.)

Оскільки різні гази поглинають різні комбінації кольорів, дослідники можуть проаналізувати невеликі відмінності в яскравості пропущеного світла в спектрі довжин хвиль і, отже, точно визначити, з чого складається атмосфера. Завдяки поєднанню роздутої атмосфери та частих транзитів WASP-39 b є ідеальною мішенню для цього методу, відомого як пропускна спектроскопія. Команда використовувала спектрограф Webb’s Near-Infrared Spectrograph ( NIRSpec ), щоб зробити це виявлення.

Вуглекислий газ – вперше за межами Сонячної системи

В отриманому спектрі атмосфери екзопланети невеликий пагорб розміром від 4,1 до 4,6 мікрон для дослідників екзопланет є чим завгодно, але не тривіальним. Це перше чітке, докладне, незаперечне свідчення наявності вуглекислого газу, коли-небудь виявленого на планеті за межами Сонячної системи.

« Як тільки дані з’явилися на моєму екрані, колосальна функція вуглекислого газу захопила мене, — сказав Зафар Рустамкулов, аспірант Університету Джона Хопкінса в Сполучених Штатах і член команди транзитної екзопланети. – Це був особливий момент, коли ми перетнули важливий поріг у науці про екзопланети. »

Навіть без сильної властивості вуглекислого газу цей спектр був би чудовим. Жодна обсерваторія ніколи раніше не вимірювала такі тонкі відмінності в яскравості такої кількості окремих кольорів у діапазоні від 3 до 5,5 мікронів у спектрі пропускання екзопланети. Доступ до цієї частини спектру є вирішальним для вимірювання вмісту газів, таких як вода та метан, а також вуглекислого газу, які, як вважають, існують в атмосферах багатьох різних типів екзопланет.

« Виявлення такого чіткого сигналу вуглекислого газу на WASP-39 b є хорошим передвісником для виявлення атмосфери на менших планетах земного розміру, — сказала Наталі Баталья з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі, США, яка очолює групу дослідників. вивчає транзитні екзопланети з Веббом.

« Дивно бачити, як інструмент ESA NIRSpec видає такі неймовірні дані на такому ранньому етапі місії, коли ми знаємо, що ще можемо покращити якість даних у майбутньому», – додала Сара Кендрю, науковий співробітник ESA Webb MIRI Instruments and Calibration Science Telescope Space Institute у Балтиморі, США.

Історія походження планети

Розуміння складу атмосфери планети є важливим, оскільки це говорить нам про походження планети та про те, як вона розвивалася.

« Молекули вуглекислого газу є чутливими індикаторами історії формування планети, — сказав член команди Майк Лайн з Університету штату Арізона, США. – Вимірюючи цю властивість вуглекислого газу, ми можемо визначити, скільки твердого та газоподібного матеріалу було використано для формування цієї газової планети-гіганта. У найближче десятиліття Вебб зробить ці вимірювання для багатьох планет, надаючи розуміння деталей того, як формуються планети, і унікальності нашої власної Сонячної системи».

Ці результати також базуються на існуючих дослідженнях космічного телескопа Хаббл NASA/ESA .

« Протягом останніх кількох десятиліть космічний телескоп «Хаббл» створював прецедент щодо таємниць, які містять ці атмосфери, від хмар, що розсіюються, закриваючи молекулярні особливості, до виявлення поглинання водяної пари та виходу атмосфери, — сказала член команди Ханна Уейкфорд з Брістольського університету у Великобританії. – Вебб доповнить і розширить ці дослідження вищою роздільною здатністю, охопленням довжин хвиль і точністю, щоб виявити ключові тенденції в даних, що вказують на формування та еволюцію цих планет. »

Подальші дослідження

Спостереження WASP-39 b за допомогою призми NIRSpec є лише частиною більшого дослідження, яке включає спостереження за планетою за допомогою ряду інструментів, а також спостереження за двома іншими транзитними планетами. Розслідування, яке є частиною програми Early Release Science, було розроблено для того, щоб якомога швидше надати спільноті дослідників екзопланет надійні дані Webb.

« Побачити дані вперше було наче прочитати вірш цілком, коли раніше ми мали лише кожне третє слово, — додала член команди Лаура Крейдберг з Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі, Німеччина. – Ці перші результати – це лише початок; Дані Early Release Science показали, що Webb працює чудово, і менші та холодніші екзопланети (більше схожі на нашу Землю) знаходяться в межах його досяжності».

« Мета полягає в тому, щоб швидко проаналізувати спостереження Early Release Science і розробити інструменти з відкритим кодом для наукового співтовариства, — пояснила Вів’єн Парментьє з Оксфордського університету у Великобританії. – Це дає змогу робити внески з усього світу та гарантує, що наступні десятиліття спостережень отримають найкращі наукові результати».