Teleskop Webba dostarcza szczegółowe analizy atmosfery egzoplanety WASP-39 b

W sierpniu astronomowie korzystający z teleskopu Webba, Hubble'a i Spitzera ogłosili pierwsze jednoznaczne wykrycie dwutlenku węgla w atmosferze WASP-39 b. Nowe obserwacje ujawniły również dwutlenek siarki, pierwszy raz widziany na egzoplanecie. Badacze uzyskali również wiedzę na temat pokrycia chmur na tym odległym świecie oraz wskazówki na temat jego narodzin.

Odkrycia te dobrze wróżą zdolności JWST do prowadzenia szerokiego zakresu badań planet krążących wokół innych gwiazd, na co liczyli naukowcy. Jak wskazali badacze, instrumenty JWST pozwalają na precyzyjną analizę atmosfer egzoplanet i działają znacznie powyżej oczekiwań. Obiecują nową fazę eksploracji szerokiej gamy egzoplanet w galaktyce.

Odkrycia, będące najlepszym jak dotąd zrozumieniem atmosfery dla świata poza Układem Słonecznym, jakie osiągnęli naukowcy, zostały przedstawione w pięciu artykułach naukowych, z których trzy zostały zaakceptowane do publikacji w "Nature", a dwa są jeszcze w trakcie recenzji. Wszystkie dostępne są w bazie pre-printów arXiv (DOI: 0.48550/arXiv.2211.10490, DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488, DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487, DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489, DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

WASP-39 b to gorący gazowy olbrzym o masie około jednej czwartej masy Jowisza, czyli mniej więcej takiej samej jak Saturn. Jednak jego średnica jest 1,3 razy większa od Jowisza. Jak wskazują naukowcy, ta ekstremalna "opuchlizna" jest częściowo związana z wysoką temperaturą panującą na planecie i wynoszącą około 900 stopni Celsjusza.

W przeciwieństwie do chłodniejszych, bardziej zwartych gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym, WASP-39 b krąży bardzo blisko swojej gwiazdy macierzystej. W porównaniu do naszego systemu planetarnego, byłoby to w około jednej ósmej odległości między Słońcem a Merkurym. WASP-39 b okrąża swoją gwiazdę w nieco ponad cztery ziemskie dni.

Planeta WASP-39 b została odkryta przy pomocy metody tranzytu w 2011 roku. W metodzie tej dokonuje się pomiarów jasności gwiazd w poszukiwaniu niewielkich, regularnych osłabień blasku, które mogły być spowodowane obiegiem planety wokół gwiazdy. Jeśli płaszczyzna orbity planety jest odpowiednio ustawiona względem naszej linii widzenia, to taka planeta będzie okresowo przechodzić przed swoją gwiazdą – dokonywać tranzytu, co spowoduje okresowy spadek jasności. Dzięki takim analizom spadków w promieniowaniu elektromagnetycznym udało się odkryć tysiące planet.

Planety tranzytowe, takie jak WASP-39 b, których orbity obserwujemy z boku, a nie z góry, mogą zapewnić naukowcom idealne możliwości badania atmosfer. Podczas tranzytu część światła gwiazdy zostaje całkowicie przyćmiona przez planetę, a część przechodzi przez jej atmosferę, co pozwala ją scharakteryzować. Gazy atmosferyczne pochłaniają światło o określonej długości fali, co objawia się niewielkim spadkiem jasności, gdy światło gwiazd rozkłada się w widmie atmosfery. Analizując spektrum docierającego do nas światła, uczeni mogą określić, z czego składa się atmosfera.

Jak przyznała Mercedes López-Morales z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian, w zebranych przez Webba danych wyraźnie widać sygnały wielu różnych cząsteczek. - Przewidywaliśmy, że w danych będzie wiele z tych sygnałów, ale kiedy po raz pierwszy zobaczyłam dane, byłam pod ogromnym wrażeniem – dodaje López-Morales.

- Obserwowaliśmy egzoplanetę za pomocą wielu instrumentów, które razem zapewniają szeroki zakres widma w podczerwieni i wachlarz chemicznych odcisków palców, niedostępnych w takich badaniach aż pojawił się JWST – mówi Natalie Batalha z University of California w Santa Cruz. - Dane takie jak te zmieniają reguły gry – dodaje.

Wiele związków występujących w ziemskiej atmosferze, w tym niektóre niezbędne do życia, nie istniało, gdy planeta się formowała. Były one produktem reakcji chemicznych wywołanych przez światło słoneczne. Te reakcje fotochemiczne zachodzą również w atmosferach innych planet w Układzie Słonecznym i przewidywano, że będą zachodzić też w atmosferach egzoplanet. Ale aż do teraz nigdy ich nie zaobserwowano.

Wśród bezprecedensowych odkryć jest pierwsze wykrycie w atmosferze egzoplanety dwutlenku siarki. Jak wskazują badacze, dwutlenek siarki powstał na WASP-39 b w wyniku reakcji chemicznych wywołanych przez wysokoenergetyczne światło z gwiazdy macierzystej. Na Ziemi w podobny sposób powstaje ochronna warstwa ozonowa w górnych warstwach atmosfery. W przypadku WASP-39 b światło z gwiazdy, nieco mniejszej od Słońca, rozszczepia wodę w atmosferze na wodór i wodorotlenek, który reaguje z siarkowodorem, tworząc dwutlenek siarki.

- Zaskakujące odkrycie dwutlenku siarki ostatecznie potwierdza, że ​​fotochemia kształtuje klimat "gorących Saturnów" — mówi Diana Powell z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian. - Klimat Ziemi jest również kształtowany przez fotochemię, więc nasza planeta ma więcej wspólnego z "gorącymi Saturnami", niż wcześniej sądziliśmy – dodaje.

Inne składniki atmosfery wykryte przez JWST to sód, potas i para wodna, co potwierdza wcześniejsze obserwacje z kosmicznych i naziemnych teleskopów. Podobnie rzecz się ma z dwutlenkiem węgla.

Uczni wykryli także 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 badających chemię egzoplanet w celu lepszego zrozumienia powstawania i rozwoju tych odległych światów.

Skład chemiczny atmosfery tej planety pozwolił również naukowcom dowiedzieć się czegoś więcej o jej przeszłości. Patrząc na względny stosunek węgla do tlenu, potasu do tlenu i siarki do wodoru, zespół uważa, że ​​planeta powstała w wyniku nagromadzenia się mniejszych ciał - palnetozymali.

Ponadto, biorąc pod uwagę, że w atmosferze jest o wiele więcej tlenu niż węgla, zespół skłania się ku koncepcji, że świat ten uformował się znacznie dalej od gwiazdy, a następnie migrował do wnętrza systemu.

- Obfitość siarki w stosunku do wodoru wskazuje, że planeta prawdopodobnie doświadczyła znacznego nagromadzenia planetozymali, które mogą dostarczać te składniki do atmosfery – mówi Kazumasa Ohno z UC Santa Cruz. - Dane wskazują również, że tlenu jest dużo więcej niż węgla w atmosferze. To potencjalnie wskazuje, że WASP-39 b pierwotnie uformowała się daleko od gwiazdy – dodaje.

Naukowcy potwierdzili także, że atmosfera zawiera chmury zbudowane z siarczków i krzemianów, ale zamiast warstwy równomiernie rozłożonych chmur, są one rozmieszczone w bardziej rozdrobniony sposób.

Dodatkowo, poziomy dwutlenku siarki były znacznie wyższe niż powinny być, gdyby planeta była zbudowana wyłącznie z materii powstałej podczas formowania się układu. Jedynym wyjaśnieniem, jak wskazują badacze, jest to, że światło z gwiazdy spowodowało łańcuch reakcji chemicznych w atmosferze planety, w wyniku których powstał dwutlenek siarki.

Uważa się, że przy szacowanej temperaturze 900 stopni Celsjusza i atmosferze składającej się głównie z wodoru WASP-39 b nie nadaje się do zamieszkania przez ludzi. Egzoplaneta została porównana zarówno do Saturna, jak i Jowisza, z masą podobną do Saturna, ale całkowitymi rozmiarami podobnymi do Jowisza.

Bliskość planety do gwiazdy macierzystej — osiem razy bliżej niż odległość Merkury do naszego Słońca — sprawia, że ​​jest to również doskonałe laboratorium do badania wpływu promieniowania gwiazd na egzoplanety. Lepsza wiedza o powiązaniach gwiazda-planeta powinna pozwolić na głębsze zrozumienie, w jaki sposób procesy te tworzą różnorodność planet obserwowanych w galaktyce.

Źródło: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, NASA, Nature, fot. Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian