Przejdź do treści

Jak spektrograf NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba zarejestrował widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-39b?

Na ilustracji: seria krzywych blasku w układzie WASP-39 uzyskanych przez spektrograf NIRSpec z Teleskopem Webba w dn. 10 lipca 2022r. prezentuje zmiany jasności w trzech różnych długościach fali (kolorach) λ ~3,0µm, 4,3µm i 4,7µm. Jest to przejście egzoplanety na tle gwiazdy, czyli tranzyt, podczas którego jest blokowana część światła gwiazdy. Atmosfera egzoplanety najwięcej światła blokuje dla λ ~4,3µm, z powodu absorpcji przez molekuły CO2. Źródło:NASA/ESA/CSA/Leah Hustak (STScI)/Joseph Olmsted (STScI)

Widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety nie uzyskuje się bezpośrednio, fotografując jej tarczę lub atmosferę. Jest tworzone poprzez porównanie światła gwiazdy macierzystej filtrowanego przez atmosferę egzoplanety, gdy egzoplaneta przechodzi przed gwiazdą (tranzyt) z niefiltrowanym światłem, gdy egzoplaneta jest obok gwiazdy.

WASP-39 b jest olbrzymią, gorącą egzoplanetą, która krąży wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Układ znajduje się w odległości około 700 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Panny. Ta egzoplaneta posiada orbitę ekstremalnie blisko gwiazdy macierzystej (mniej niż 1/20 odległości pomiędzy Ziemią i Słońcem) i na jedno okrążenie wokół gwiazdy potrzebuje zaledwie trochę więcej niż cztery ziemskie dni. Gwiazda WASP-39 posiada w przybliżeniu tą samą wielkość, masę, temperaturę i barwę jak nasze Słońce. Planeta została odkryta w 2011 roku w oparciu o naziemne obserwacje.

W tle ilustracji tytułowej pokazano wygląd egzoplanety WASP-39 b i jej gwiazdy macierzystej według aktualnego stanu wiedzy na podstawie spektroskopii uzyskanej za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba oraz poprzednich obserwacji satelitarnych oraz naziemnych. Teleskop Webba bezpośrednio nie sfotografował tarczy egzoplanety lub jej atmosfery.

Poznanie składu chemicznego atmosfery egzoplanety WASP-39 b było możliwe dzięki uzyskaniu widma transmisyjnego jej atmosfery. W tym celu był obserwowany spektroskopowo tranzyt egzoplanety, czyli przejście na tle tarczy gwiazdy.

Obserwacje tranzytu egzoplanety WASP-39 b zostały wykonane w dniu 10 lipca 2022 roku przez spektrograf NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba w trybie ciągłych obserwacji jasnego obiektu z użyciem pryzmatu (ang. PRISM bright object time-series mode). W tym modzie pryzmat rozszczepia światło pojedynczego jasnego obiektu takiego jak np. gwiazda WASP-39 i mierzy jasność w każdej długości fali w określonym interwale czasowym.

 

Spektrograf Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) jest jednym z najbardziej uniwersalnych instrumentów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do spektroskopii w bliskiej podczerwieni (λ ~0,6-5µm). Oprócz spektroskopii z użyciem standardowej pojedynczej szczeliny do obserwacji konkretnego ciała niebieskiego (ang. Slitted Mode), NIRSpec posiada moduł zintegrowanego pola (ang. IFU/ Integrated Field Unit) do badania całego pola prędkości i kierunków ruchu dla rozciągłych obiektów takich jak galaktyki lub protogwiazdy zanurzone w mgławicach (w tym modzie pole widzenia spektrografu wynosi 3”x3”); macierz 248 tysięcy mikro-migawek 100x200µm sterowanych indywidualnie, które umożliwiają równoczesną spektroskopię do 100 obiektów (ang. Multi-Object Mode); tryb ciągły (ang. Time-Series Mode) umożliwia rejestrację widma jakiegoś obiektu w stałych odstępach czasowych, aby uchwycić zmiany w czasie. Źródło: NASA, ESA, Andi James (STScI)

Spektrograf Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) jest jednym z najbardziej uniwersalnych instrumentów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do spektroskopii w bliskiej podczerwieni (λ ~0,6-5µm).
Oprócz spektroskopii z użyciem standardowej pojedynczej szczeliny do obserwacji konkretnego ciała niebieskiego (ang. Slitted Mode), NIRSpec posiada:
- moduł zintegrowanego pola (ang. IFU/ Integrated Field Unit) do badania całego pola prędkości i kierunków ruchu dla rozciągłych obiektów takich jak galaktyki lub protogwiazdy zanurzone w mgławicach (w tym modzie pole widzenia spektrografu wynosi 3”x3”);
- macierz 248 tysięcy mikro-migawek 100x200µm sterowanych indywidualnie, które umożliwiają równoczesną spektroskopię do 100 obiektów (ang. Multi-Object Mode);
- tryb ciągły (ang. Time-Series Mode) umożliwia rejestrację widma jakiegoś obiektu w stałych odstępach czasowych, aby uchwycić zmiany w czasie. Źródło: NASA, ESA, Andi James (STScI)


Na ilustracji tytułowej są pokazane obserwacje układu gwiezdnego WASP-39, prowadzone przez ponad osiem godzin przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba – rozpoczynając trzy godziny przed tranzytem i kończąc dwie godziny po wyjściu z tranzytu. Sam tranzyt trwał około trzy godziny. Krzywa blasku w każdej z trzech barw zawiera 500 pojedynczych pomiarów jasności – około jeden na minutę.

Mimo że wszystkie barwy są blokowane w pewnym stopniu przez atmosferę planety, to jednak niektóre kolory są bardziej blokowane niż inne. Tak dzieje się, ponieważ każdy gaz w atmosferze absorbuje różną ilość światła dla danej długości fali. W wyniku tego każda barwa ma nieco inną krzywą blasku. Podczas tranzytu egzoplanety WASP-39 b światło o długości fali λ ~4,3 µm nie było tak jasne jak dla λ ~3,0 µm lub λ ~4,7 µm, ponieważ było pochłaniane przez dwutlenek węgla (CO2).

Spektrograf NIRSpec w trybie ciągłym pozwala jednocześnie obserwować ten sam obiekt nie w trzech kolorach, jak pokazano na tytułowej ilustracji, ale w znacznie większej liczbie barw. Pozwala to uzyskać widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety nawet w kilkuset barwach – co prezentuje poniższy rysunek.

Widmo transmisyjne jest tworzone poprzez porównanie światła gwiazdy macierzystej filtrowanego przez atmosferę egzoplanety, gdy przechodzi przed gwiazdą (tranzyt) z niefiltrowanym światłem, gdy egzoplaneta znajduje się obok gwiazdy. Ilość światła, która jest absorbowana przez atmosferę egzoplanety w konkretnej długości fali λ reprezentują na tym wykresie białe kółka. Maksima w widmie transmisyjnym są widoczne w długościach fali absorbowanych przez atmosferę egzoplanety.

Niebieska linia przedstawia najlepiej dopasowany model, który uwzględnia znane właściwości WASP-39 b i jej gwiazdy takie jak wielkość, masa i temperatura oraz hipotetyczne cechy atmosfery. Aby poprawić dopasowanie i zyskać głębsze rozumienie środowiska, astronomowie zmieniają parametry w modelu, które określają nieznane właściwości, takie jak wysokość chmur w atmosferze i obfitości różnych gazów.

W widmie transmisyjnym egzoplanety WASP-39 b astronomowie zidentyfikowali potas (K), sód (Na), wodę (H2O), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), wdutlenek siarki (SO2).

 

Astronomowie określili skład atmosfery egzoplanety WASP-39 b, która jest gorącym olbrzymem. Było to możliwe na podstawie widma transmisyjnego w zakresie długości fali λ ~0,5-5,5µm, które zostało uzyskane spektrografem NIRSpec współpracującym z Teleskopem Webba w konfiguracji PRISM, czyli z użyciem pryzmatu. Widać bogatą zupę molekularną w gorącej atmosferze tej planety – w tym  odkryte po raz pierwszy cząsteczki dwutlenki siarki (SO2). Niebieska linia przedstawia najlepiej dopasowany model teoretyczny atmosfery, a różnokolorowe prostokąty uwypuklają maksima przypisywane danym molekułom. Źródło: NASA/European Space Agency/Canadian Space Agency/Leah Hustak (Space Telescope Science Institute)/Joseph Olmsted (Space Telescope Science Institute)

Astronomowie określili skład atmosfery egzoplanety WASP-39 b, która jest gorącym olbrzymem. Było to możliwe na podstawie widma transmisyjnego w zakresie długości fali λ ~0,5-5,5µm, które zostało uzyskane spektrografem NIRSpec współpracującym z Teleskopem Webba w konfiguracji PRISM, czyli z użyciem pryzmatu. Widać bogatą zupę molekularną w gorącej atmosferze tej planety – w tym  odkryte po raz pierwszy cząsteczki dwutlenki siarki (SO2). Niebieska linia przedstawia najlepiej dopasowany model teoretyczny atmosfery, a różnokolorowe prostokąty uwypuklają maksima przypisywane danym molekułom. Źródło: NASA/European Space Agency/Canadian Space Agency/Leah Hustak (Space Telescope Science Institute)/Joseph Olmsted (Space Telescope Science Institute)

 


Więcej informacji:


Źródło: NASA/ESA

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Na ilustracji: seria krzywych blasku w układzie WASP-39 uzyskanych przez spektrograf NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba w dn. 10 lipca 2022r. prezentuje zmiany jasności w trzech różnych długościach fali (kolorach) λ ~3,0µm, 4,3µm i 4,7µm. Jest to przejście egzoplanety na tle gwiazdy, czyli tranzyt, podczas którego jest blokowana przez atmosferę egzoplanety część światła gwiazdy. Atmosfera egzoplanety najwięcej światła blokuje dla λ ~4,3µm, z powodu absorpcji przez molekuły dwutlenku węgla (CO2). Źródło: NASA/European Space Agency/Canadian Space Agency/Leah Hustak (Space Telescope Science Institute)/Joseph Olmsted (Space Telescope Science Institute)

Reklama