Космічний телескоп NASA/ESA/CSA Jemes Webb отримав уперше ще один результат: молекулярний і хімічний склад атмосфери далекої екзопланети.
Тоді як «Вебб» та інші космічні телескопи, зокрема Космічний телескоп імені Габбла, раніше виявляли окремі компоненти атмосфери цієї розігрітої планети, нові дані спостережень надають повне «меню» атомів, молекул і навіть ознаки активної хімії та хмар. Ці дані також дають натяк на те, який вигляд можуть мати ці хмари зблизька: розірвані, а не як одне однорідне покривало над планетою.
Набір високочутливих інструментів телескопа науковці застосували для вивчення атмосфери WASP-39 b, «гарячого Сатурна». Це екзопланета приблизно такої маси, як Сатурн, але на ближчій до зорі орбіті, ніж Меркурій до Сонця. Вона обертається навколо зорі, що лежить від Землі на відстані приблизно 700 світлових років. Її однією з перших дослідили за допомогою Космічного телескопа Джеймса Вебба (телескоп є «дітищем NASA, Європейського і Канадського космічних агентств), коли він почав регулярні наукові операції. Результати схвилювали наукову спільноту, яка вивчає екзопланети. Неймовірно чутливі прилади «Вебба» зареєстрували й ідентифікували складові атмосфери WASP-39 b, зокрема воду, діоксид сірки, чадний газ, натрій і калій.
Отримані дані вказують на те, що інструменти «Вебба» дають змогу виконувати широкий спектр досліджень екзопланет — планет навколо інших зір — на які сподівається наукова спільнота. Це стосується і зондування атмосфер менших землеподібних планет, таких як у системі TRAPPIST-1.
«Ми спостерігали екзопланету за допомогою кількох інструментів, які разом охоплюють широкий діапазон інфрачервоного спектру та велику кількість “відбитків пальців” хімічних елементів, недоступних до JWST», — сказала Наталі Баталья (Natalie Batalha), астроном з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі, яка була серед тих, хто координував нове дослідження. «Такі дані змінюють правила гри».
Результати досліджень докладно описано у п’ятьох наукових статтях, три з яких схвалено до публікації, а дві — на розгляді. Серед безпрецедентних відкриттів — перше виявлення в атмосфері екзопланети діоксиду сірки, молекули, що утворюється внаслідок хімічних реакцій, спричинених випромінюванням високої енергії від материнської зорі планети. На Землі захисний озоновий шар у верхніх шарах атмосфери виникає так само.
«Це вперше, коли ми побачили конкретні докази фотохімії — хімічні реакції, спричинені високоенергетичним зоряним випромінюванням — на екзопланетах», — сказав Шанґґ-Мін Цай (Shang-Min Tsai), дослідник Оксфордського університету у Великій Британії та перший автор статті, що пояснює, походження діоксиду сірки в атмосфері WASP-39 b. «Я вважаю це справді багатообіцяючою перспективою для вдосконалення нашого розуміння атмосфер екзопланет за допомогою [цієї місії]».
Ще одне, що було зроблено вперше: науковці застосували комп’ютерні моделі фотохімії до даних, які потребують повного пояснення фізики таких процесів. Отримані вдосконалення в моделюванні допоможуть створити технологічні ноу-хау, потрібні для інтерпретації потенційних ознак придатності для життя для життя екзопланет в їхньому майбутньому.
«Планети формуються і змінюються, обертаючись навколо своє материнської зорі у “ванні” з її випромінювання», — сказала Баталья. «На Землі ці перетворення уможливили процвітання життя».
Близькість планети до своєї зорі — у восьмеро ближче, ніж Меркурій до Сонця — також робить її лабораторією для вивчення впливу випромінювання від материнських зір на екзопланети. Кращі знання про зв’язок зір і планет мають принести глибше розуміння того, як ці процеси впливають на різноманітність планет, які астрономи спостерігають в Галактиці.
Атмосферний склад WASP-39 b за даними від інструментів NIRSpec, NIRCam і NIRISS. Космічний телескоп Джеймса Вебба виявив склад атмосфери гарячої газової екзопланети-гіганта WASP-39b. На цьому малюнку показано чотири спектри пропускання від трьох інструментів «Вебба», що працюють у режимі чотирьох приладів. Усі дані нанесено на загальну шкалу довжин електромагнітних хвиль від 0,5 до 5,5 мікрон. Спектр пропускання створюється шляхом порівняння зоряного світла, фільтрованого атмосферою планети, коли вона рухається перед зорею, з нефільтрованим зоряним світлом, зареєстрованим, коли планета міститься поруч із зорею. Кожна з точок даних (білі кружечки) на цих графіках відображає кількість випромінювання на хвилі певної довжини, яке блокує планета та яке поглинає її атмосфера. Довжини хвиль, в яких випромінювання атмосфера переважно поглинає, у спектрі пропускання мають вигляд піків. Блакитна лінія — це найкраща модель, яка враховує дані, відомі властивості WASP-39 b та її зорі (наприклад, розмір, маса, температура), а також характеристики атмосфери, взяті науковцями, як припущення. Дослідники можуть змінювати параметри в моделі, змінювати невідомі характеристики, такі як висота хмар в атмосфері та кількість різних газів, щоб отримати модель, що найкраще відповідає спостережним даним. Ця методика дає можливість краще зрозуміти, якою є атмосфера насправді. У верхньому лівому куті дані NIRISS показують сигнали калію (K), води (H2O) і чадного газу (CO). У верхньому правому куті дані з NIRCam показують помітний сигнал від води. Унизу ліворуч дані NIRSpec вказують на воду, діоксид сірки (SO2), вуглекислий газ (CO2) і чадний газ (CO). Унизу праворуч додаткові дані NIRSpec показують усі ці молекули, а також натрій (Na). Фото з сайту https://esawebb.org.
Серед інших компонентів атмосфери, виявлених «Веббом», є натрій (Na), калій (K) і водяна пара (H2O). Нові спостереження підтверджують попередні спостереження, як цього космічного телескопа, так і наземних телескопів, а також дали змогу виявити додаткові сигнали від води на довших хвилях, яких раніше не реєстрували.
«Вебб» також спостерігав вуглекислий газ (CO2) з вищою роздільною здатністю, надавши вдвічі більше даних, ніж було отримано за результатами попередніх спостережень. Виявлено окис вуглецю (CO), але явні ознаки метану (CH4) і сірководню (H2S) відсутні в даних «Вебба». Якщо ці елементи в атмосфері присутні, то вміст молекул є на дуже низьких рівнях.
Щоб зафіксувати цей широкий спектр атмосфери WASP-39 b, міжнародна група науковців, яка налічує сотні незалежних один від одного дослідників, проаналізувала дані, отримані від приладів телескопа Джеймса Вебба, що працювали в чотирьох точно відкаліброваних режимах.
«Ми передбачили, що нам покаже [телескоп], але воно було точнішим, різноманітнішим і красивішим, ніж я уявляла, як це буде насправді», — сказала Ганна Вейкфорд (Hannah Wakeford), астрофізик з Брістольського університету (Великобританія), яка досліджує атмосфери екзопланет.
Наявність такого повного переліку хімічних інгредієнтів в атмосфері екзопланети також дає науковцям можливість порівняти велику кількість різних елементів по відношенню один до одного, наприклад, співвідношення вуглецю до кисню або калію до кисню. Це, натомість, дає зрозуміти, як ця екзопланета — і, можливо, інші — утворилися з диска газу та пилу, що оточував материнську зорю на початку формування планет.
Хімічний склад WASP-39 b свідчить про історію руйнувань і злиття менших тіл, які в астрономії називають планетезималями, для створення остаточної планети-ґоліята.
«Великий вміст сірки [відносно] водню вказує на те, що на планеті, ймовірно, відбулося значне накопичення планетезималей, які можуть доставляти [ці інгредієнти] в атмосферу», — сказав Казумаса Оно (Kazumasa Ohno), дослідник екзопланет з Каліфорнійського університету в Санта-Крус, який працював з даними від «Вебба». «Дані також показують, що кисню в атмосфері набагато більше, ніж вуглецю. Це потенційно вказує на те, що WASP-39 b спочатку утворилася далеко від центральної зорі».
Виявивши точні деталі атмосфери екзопланети, інструменти телескопа Джеймса Вебба перевершили очікування вчених і обіцяють новий етап досліджень широкого розмаїття екзопланет у Галактиці.
«Ми зможемо побачити загальну картину атмосфери екзопланет», — сказала Лаура Флеґґ (Laura Flagg), дослідниця Корнельського університету та учасниця міжнародної групи. «Неймовірно хвилююче знати, що все буде переписано. Це одна з найкращих сторін роботи вченого».
За інф. з сайту https://esawebb.org
