Космический телескоп Джеймса Уэбба показывает атмосферу экзопланеты, которую никогда раньше не видели

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) только что получил еще одно первое место: подробный молекулярный и химический портрет неба далекого мира.

Группа высокочувствительных инструментов телескопа была направлена ​​на атмосферу «горячего Сатурна» — планеты примерно такой же массы, как Сатурн, вращающейся вокруг звезды на расстоянии около 700 световых лет, известной как WASP-39 b. В то время как JWST и другие космические телескопы, в том числе Хаббл и Спитцер, ранее выявляли отдельные компоненты атмосферы этой бурлящей планеты, новые данные дают полное меню атомов, молекул и даже признаков активной химии и облаков.

«Четкость сигналов от ряда различных молекул в данных поразительна», — говорит Мерседес Лопес-Моралес, астроном из Центра астрофизики | Harvard & Smithsonian и одним из ученых, внесших свой вклад в новые результаты.

«Мы предсказывали, что увидим многие из этих сигналов, но тем не менее, когда я впервые увидел данные, я был в восторге», — добавляет Лопес-Моралес.

Последние данные также дают представление о том, как эти облака на экзопланетах могут выглядеть вблизи: разорванными, а не единым однородным покрывалом над планетой.

Полученные данные служат хорошим предзнаменованием способности JWST проводить широкий спектр исследований экзопланет — планет вокруг других звезд, — на которые надеялись ученые. Это включает в себя исследование атмосфер небольших каменистых планет, подобных тем, что находятся в системе TRAPPIST-1.

«Мы наблюдали экзопланету с помощью нескольких инструментов, которые вместе обеспечивают широкий диапазон инфракрасного спектра и множество химических отпечатков пальцев, недоступных до JWST», — сказала Натали Баталья, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз, которая внесла свой вклад и помогла координировать новое исследование. «Подобные данные меняют правила игры».

Набор открытий подробно описан в наборе из пяти недавно представленных научных статей, доступных на сайте препринтов arXiv. Среди беспрецедентных открытий — первое обнаружение в атмосфере экзопланеты диоксида серы, молекулы, полученной в результате химических реакций, вызванных высокоэнергетическим светом родительской звезды планеты. На Земле аналогичным образом создается защитный озоновый слой в верхних слоях атмосферы.

«Неожиданное обнаружение диоксида серы окончательно подтверждает, что фотохимия формирует климат «горячих Сатурнов», — говорит Дайана Пауэлл, сотрудник НАСА «Хаббл», астроном из Центра астрофизики и главный член группы, открывшей диоксид серы. «Климат Земли также формируется фотохимией, поэтому наша планета имеет больше общего с «горячими Сатурнами», чем мы знали раньше».

Джеа Адамс, аспирант Гарварда и научный сотрудник Центра астрофизики, проанализировала данные, подтверждающие сигнал диоксида серы.

«Мне, как начинающему исследователю атмосфер экзопланет, очень интересно участвовать в таких открытиях», — говорит Адамс. «Процесс анализа этих данных казался волшебным. Мы видели намеки на эту особенность в ранних данных, но этот высокоточный инструмент выявил сигнатуру SO.₂ ясно и помогло нам решить головоломку».

При предполагаемой температуре 1600 градусов по Фаренгейту и атмосфере, состоящей в основном из водорода, WASP-39 b не считается пригодным для жизни. Экзопланету сравнивают как с Сатурном, так и с Юпитером, с массой, подобной Сатурну, но общим размером, как у Юпитера. Но новая работа указывает путь к поиску доказательств потенциальной жизни на обитаемой планете.

Близость планеты к своей родительской звезде — в восемь раз ближе, чем Меркурий к нашему солнцу — также делает ее лабораторией для изучения воздействия излучения родительских звезд на экзопланеты. Лучшее знание связи между звездой и планетой должно привести к более глубокому пониманию того, как эти процессы создают разнообразие планет, наблюдаемых в галактике.

Другие компоненты атмосферы, обнаруженные JWST, включают натрий, калий и водяной пар, подтверждая предыдущие наблюдения с помощью космических и наземных телескопов, а также обнаруживая дополнительные особенности воды на более длинных волнах, которые раньше не наблюдались.

JWST также видел углекислый газ с более высоким разрешением, предоставив вдвое больше данных, чем сообщалось в его предыдущих наблюдениях. При этом был обнаружен угарный газ, но в данных отсутствовали явные признаки как метана, так и сероводорода. Если они присутствуют, эти молекулы встречаются на очень низких уровнях, что является важным открытием для ученых, проводящих инвентаризацию химии экзопланет, чтобы лучше понять формирование и развитие этих далеких миров.

Захват такого широкого спектра атмосферы WASP-39 b был научным проявлением силы, поскольку международная группа, насчитывающая сотни человек, независимо проанализировала данные четырех точно откалиброванных режимов прибора JWST. Затем они провели детальное взаимное сравнение своих выводов, что дало еще более детализированные с научной точки зрения результаты.

JWST рассматривает Вселенную в инфракрасном свете, на красном конце светового спектра, за пределами того, что может видеть человеческий глаз; это позволяет телескопу улавливать химические отпечатки пальцев, которые невозможно обнаружить в видимом свете.

Каждый из трех инструментов даже имеет в своем названии некоторую версию «ИК» инфракрасного излучения: NIRSpec, NIRCam и NIRISS.

Чтобы увидеть свет от WASP-39 b, JWST отслеживал планету, когда она проходила перед своей звездой, позволяя части света звезды фильтроваться через атмосферу планеты. Различные типы химических веществ в атмосфере поглощают разные цвета спектра звездного света, поэтому недостающие цвета говорят астрономам, какие молекулы присутствуют.

Благодаря столь точному анализу атмосферы экзопланеты, инструменты JWST превзошли ожидания ученых и обещают новый этап исследований среди широкого разнообразия экзопланет в галактике.

Лопес-Моралес говорит: «Я с нетерпением жду возможности увидеть, что мы находим в атмосферах маленьких планет земной группы».