Bocaprins to nie tylko nazwa malowniczej plaży na wyspie Aruba, ale również oficjalna nazwa egzoplanety WASP-39 b – zatwierdzona przez Międzynarodową Unię Astronomiczną. Widma zrobione przez Teleskop Webba pozwoliły wykonać najbardziej szczegółową do tej pory analizę atmosfery egzoplanety na przykładzie Bocaprins. Wyniki zostały opublikowane w listopadzie 2022 roku i zawierają między innymi następujące rewelacje: odkrycie dwutlenku siarki w atmosferze egzoplanety, obserwacje na egzoplanecie działającej fotochemii (reakcje inicjowane przez światło).
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba właśnie po raz pierwszy zarejestrował molekularny i chemiczny profil nieba nad odległym światem Bocaprins.
Wcześniejsze obserwacje wykonane zarówno Teleskopem Webba, jak i innymi teleskopami orbitalnych (Teleskop Hubble’a, Teleskop Spitzera) wyodrębniły tylko niektóre składniki tej smażącej się (~900C) atmosfery Bocaprins. Natomiast najnowsze, opublikowane w listopadzie 2022 roku, wyniki obserwacji Teleskopem Webba dostarczyły pełne menu atomów, molekuł, a nawet oznaki aktywnej chemii i chmur.
Najnowsze dane dostarczają również wskazówkę jak te chmury mogą wyglądać – są to raczej poszarpane obszary pełne chmur nad planetą niż pojedyncza, jednorodna warstwa (ilustracja tytułowa → wizja artystyczna zachmurzenia nad planetą Bocaprins).
Grupa bardzo czułych instrumentów współpracujących z Teleskopem Webba obserwowała atmosferę WASP-39 b – „gorącego Saturna” (planeta o masie zbliżonej do Saturna, ale krążącej wokół gwiazdy macierzystej po orbicie ciaśniejszej niż „nasz” Merkury), obiegającego gwiazdę z okresem około 4 dni ziemskie. Układ WASP-39 znajduje się w odległości około 700 l.św. od nas.
Teleskop Webba zidentyfikował skład atmosfery egzoplanety Bocaprins (WASP-39 b), która jest gorącym olbrzymem. Rysunek przedstawia cztery widma transmisyjne z trzech instrumentów współpracujących z Teleskopem Webba w czterech różnych konfiguracjach instrumentów. Wszystkie widma są w tej samej skali w zakresie długości fali λ ~0,5-5,5µm.
Dane instrumentu NIRISS (u góry po lewej) obrazują spektralne ślady potasu (K), wody (H2O) i tlenku węgla (CO). Silną sygnaturę wody widać w obserwacjach z kamery NIRCam (u góry po prawej), zaś dane ze spektrografu NIRSpec (na dole po lewej) również wskazują na istnienie wody oraz dwutlenku siarki (SO2) dwutlenku węgla (CO2) i tlenku węgla (CO). W dodatkowym panelu z danymi spektrografu NIRSPec (na dole po prawej) widać wszystkie wyżej wymienione molekuły jak również sód (Na).
Niebieska linia przedstawia najlepiej dopasowany model, który uwzględnia znane właściwości WASP-39b 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.
Widmo transmisyjne jest tworzone poprzez porównanie światła filtrowanego przez atmosferę planety, gdy przechodzi przed gwiazdą (tranzyt) z niefiltrowanym światłem, gdy egzoplaneta jest obok gwiazdy – a najlepiej, gdy jest schowana za gwiazdą. Ilość światła, która jest absorbowana przez atmosferę planety w konkretnej długości fali reprezentują na tych wykresach białe kółka. Maksima w widmie transmisyjnym są widoczne długościach fali absorbowanych przez atmosferę planety.
Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
Widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety Bocaprins (WASP-39 b) w bliskiej podczerwieni (λ~0,5-5,5µm) wykonane za pomocą Teleskopu Webba. Na podstawie widm astronomowie określili skład atmosfery egzoplanety WASP-39 b, która jest odległym o około 700 l.św. „gorącym Saturnem”. Widać bogatą zupę molekularną w gorącej atmosferze tej planety (woda, dwutlenek węgla, tlenek węgla, sód) – 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)
Te wyniki wskazują na duży potencjał instrumentów Teleskopu Webba do prowadzenia szeroko zakrojonych badań wszystkich typów egzoplanet, czyli planet krążących wokół innych gwiazd niż nasze Słońce. Liczy na to społeczność naukowa. W szczególności dotyczy to badania atmosfer mniejszych, skalistych planet takich jak w układzie TRAPPIST-1.
Obserwowaliśmy tą egzoplanetę za pomocą wielu instrumentów, które razem dostarczyły znaczącą część widma w podczerwieni i bogactwo chemicznych śladów, które do tej pory były niedostępne. Takie dane stanowią przełom – powiedziała Natalie Batalha (University of California,USA), która uczestniczy w tych badaniach oraz je koordynuje.
W widmie w bliskiej podczerwieni zrobionym przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po raz pierwszy zidentyfikowano w atmosferze egzoplanety dwutlenek siarki (ang. sulfur dioxide) SO2 – mowa o egzoplanecie Bocaprins (WASP-39 b). Obecność SO2 może być wyjaśniona tylko przez fotochemię, czyli reakcje chemiczne inicjowane przez fotony o dużej energii, które emituje pobliska gwiazda. Źródło: NASA/Jet Propulsion Laboratory-Caltech/Robert Hurt, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss
Pełny garnitur odkryć stanowi zbiór pięciu publikacji naukowych, z których trzy są już drukowane, a dwie – recenzowane.
Wśród tych niespotykanych nowinek jest pierwsza detekcja dwutlenku siarki (SO2) w atmosferze egzoplanety – molekuły produkowanej przez reakcje chemiczne inicjowane przez fotony o dużych energiach, które emituje gwiazda macierzysta. Na Ziemi ochronna warstwa ozonowa w górnej atmosferze powstaje w podobny sposób.
Po raz pierwszy mamy konkretny dowód na fotochemię – chemiczne reakcje na egzoplanecie wzbudzane przez energetyczne promieniowanie gwiazdy. Widzę to jako naprawdę obiecującą perspektywę na rozwój naszej wiedzy o atmosferach egzoplanet – powiedział astronom Shang-Min Tsai (University of Oxford, UK), który jest głównym autorem publikacji wyjaśniającej pochodzenie dwutlenku siarki w atmosferze Bocaprins.
To doprowadziło do kolejnej pracy pionierskiej – zastosowania przez astronomów fotochemicznych modeli komputerowych do danych, które wymagają takiej fizyki, aby w pełni je wyjaśnić. Udoskonalenia w tym modelowaniu pomogą w przyszłości zbudować technologię, pozwalającą na interpretację potencjalnych wskaźników, czy egzoplaneta nadaje się do zamieszkania.
Planety są rzeźbione i przekształcane dzięki ruchowi orbitalnemu w obrębie „łaźni” zapewnianej przez promieniowanie gwiazdy macierzystej – powiedziała Batalha. Na Ziemi te transformacje pozwalają życiu dobrze się rozwijać.
Mała odległość Bocaprins od gwiazdy macierzystej (8 razy bliżej niż Merkury względem naszego Słońca) sprawia również, że jest to laboratorium do badania wpływu promieniowania gwiazd na ich egzoplanety. Lepsze zrozumienie związku gwiazda-planeta powinno doprowadzić do głębszego zrozumienia, w jaki sposób te procesy wpływają na różnorodność obserwowanych planet w Galaktyce.
Aby zarejestrować promieniowanie Bocaprins, instrumenty Teleskopu Webba obserwowały jak planeta przechodzi przed tarczą gwiazdy – dzięki czemu część promieniowania gwiazdy była filtrowana przez atmosferę planety. Różne rodzaje związków chemicznych w atmosferze pochłaniały różne barwy promieniowania w widmie gwiazdy. Takie brakujące kolory mówią astronomom o obecności konkretnych molekuł w atmosferze egzoplanety. Teleskop Webba obserwuje Wszechświat w podczerwieni i jest w stanie zebrać chemiczne ślady pierwiastków i związków chemicznych, których nie da się zaobserwować w zakresie widzialnym.
Teleskop Webba zaobserwował w atmosferze Bocaprins również sód (Na), potas (K) i parę wodną (H2O) – potwierdzając wcześniejsze obserwacje H2O z teleskopów kosmicznych oraz naziemnych, Znalazł również dodatkowe ślady wody w większych długościach fali, które nie były przedtem obserwowane.
Teleskop Webba zaobserwował również dwutlenek węgla (CO2) w wyższej rozdzielczości, dostarczając dwa razy więcej danych niż podczas wcześniejszych obserwacji. W międzyczasie zaobserwowano tlenek węgla (CO). Jednak nie znaleziono śladów zarówno metanu (CH4) jak i siarkowodoru (H2S) w danych obserwacyjnych Webba. Te dwa ostatnie związki chemiczne – jeżeli są obecne, to tylko w bardzo małych stężeniach.
Aby uzyskać widmo atmosfery Bocaprins w tak szerokim zakresie, międzynarodowy zespół astronomów opracował kilkaset obserwacji z czterech instrumentów na pokładzie Teleskopu Webba.
Prognozowaliśmy co Teleskop Webba może nam pokazać, ale te obserwacje okazały się bardziej dokładne, różnorodne i bardziej zachwycające niż moglibyśmy oczekiwać – powiedziała Hannah Wakeford (University of Bristol, UK), która jest astrofizyczką badającą atmosfery egzoplanet.
Taki kompletny zestaw składników chemicznych w atmosferze egzoplanety pozwala naukowcom oszacować względne obfitości występowania różnych pierwiastków (np. ułamki pierwiastków: węgiel / tlen, potas / tlen). Dzięki temu można uzyskać wgląd, w jaki sposób ta planeta (i być może inne?) uformowała się z dysku gazowo-pyłowego, który w młodości otaczał gwiazdę macierzystą.
Skład chemiczny atmosfery WASP-39 b sugeruje, że powstała ona w wyniku zderzeń i połączenia się małych obiektów zwanych planetozymalami, które ostatecznie uformowały olbrzymią planetę o wielkości porównywalnej z „naszym” Saturnem.
Obfitość siarki względem wodoru wskazuje, że prawdopodobnie ta planeta doświadczyła silnej akrecji planetozymali, które mogły dostarczyć te składniki do atmosfery – powiedział badacz egzoplanet Kazumasa Ohno (UC Santa Cruz, USA). Te obserwacje wskazują również, że w atmosferze jest znacznie więcej tlenu niż węgla. Potencjalnie może to sugerować, iż WASP-39 b pierwotnie powstała w dużej odległości od gwiazdy centralnej.
W tak dokładnej analizie atmosfery egzoplanety instrumenty Teleskopu Webba spisały się dużo powyżej oczekiwań astronomów – co zapowiada nowy etap badań całego bogactwa egzoplanet w Galaktyce.
Zamierzamy uzyskać całościowy obraz atmosfer egzoplanet – powiedziała astronomka Laura Flagg (Cornell University,USA) z międzynarodowej grupy badawczej. Jest to niezwykle ekscytujące wiedzieć, że wszystko zostanie napisane od nowa. Jest to najlepsze w byciu naukowcem.
Więcej informacji:
- NASA's Webb Reveals an Exoplanet Atmosphere as Never Seen Before
- Observations of WASP-39b show fingerprints of atoms and molecules, as well as signs of active chemistry and clouds
- NASA’s Webb Telescope Reveals an Exoplanet Atmosphere in ‘Once Impossible’ Detail
Portal Urania:
- Jak spektrograf NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba zarejestrował widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-39b?
- Teleskop Webba umożliwił poznanie składu chemicznego atmosfery egzoplanety WASP-39 b
- Teleskop Webba dokonuje pierwszej jednoznacznej detekcji dwutlenku węgla w atmosferze egzoplanety
- Mały przegląd widm atmosfer (egzo)planet i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
- Uwaga na ryzyko błędnej interpretacji obserwacji atmosfer egzoplanet przez Teleskop Webba!
Publikacje naukowe:
- L. Alderson et al. - „Early Release Science of the Exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec G395H”
- Z. Rustamkulov et al. - „Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec PRISM”
- E. Ahrer et al. - „Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRCam”
- A. Feinstein et al. - „Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRISS”
- S. Tsai et al. - „Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere”
Źródło: NASA/ESA
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji: widać, jak zapewne wygląda egzoplaneta Bocaprins (WASP-39 b) wedle aktualnego stanu naszej wiedzy, opartego o pośrednie obserwacje z Teleskopu Webba oraz innych teleskopów kosmicznych i naziemnych. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba nie zarejestrował bezpośredniego widoku tarczy tej egzoplanety. Natomiast wykrył w widmie atmosfery Bocaprins obecność sodu, potasu, wody, dwutlenku węgla, tlenku węgla i dwutlenku siarki. Widać tutaj również właśnie odkryte obszary zachmurzone, które są rozrzucone nad powierzchnią egzoplanety.
WASP-39 b jest gorącą, gazową planetą-olbrzymem o masie 0,28 masy Jowisza (0,94 masy Saturna) i o średnicy 1,3 razy większej od średnicy Jowisza, która krąży w odległości zaledwie 0,0486 j.a. (7,3 miliona kilometrów) od gwiazdy macierzystej. Gwiazda WASP-39 jest nieznacznie mniejsza i mniej masywna niż Słońce. WASP-39 b jest bardzo gorąca, ponieważ jest bardzo blisko swojej macierzystej gwiazdy i najprawdopodobniej pływowo zsynchronizowana z jedną stroną cały czas zwróconą w stronę gwiazdy.
Źródło: Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
