Dzięki obserwacjom za pomocą Teleskopu Webba uzyskano widma transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-39 b w bliskiej podczerwieni (długość fali λ 0,6-5 μm) o niespotykanej do tej pory jakości. Umożliwiło to wyznaczenie jej składu chemicznego, obfitości pierwiastków, a nawet uzyskano dane na temat mechanizmu formowania się tej i prawdopodobnie innych egzoplanet.
Po raz kolejny Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozyskał niezwykle ważne dane – profil molekularny i chemiczny odległego świata. W porównaniu do wcześniejszych obserwacji za pomocą Teleskopu Webba i innych, satelitarnych obserwatoriów, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a lub Kosmiczny Teleskop Spitzera, ujawnił złożony zestaw atomów, molekuł, a nawet wskazówki odnośnie procesów chemicznych i chmur. Najbardziej aktualne dane wskazują również na sposób rozmieszczenia chmur tej planecie. Jest to raczej rozdrobniona niż ciągła ich warstwa, która pokrywa powierzchnię planety. Bardzo czułe instrumenty Teleskopu Webba skupiły się na obserwacjach atmosfery egzoplanety WASP-39 b, która krąży wokół gwiazdy WASP-39 znajdującej się w odległości około 700 l.św. od nas. WASP-39 b jest tzw. „gorącym Saturnem”, czyli planetą o wielkości porównywalnej do Saturna, ale poruszającej się wokół gwiazdy macierzystej po orbicie ciaśniejszej niż orbita Merkurego.
Instrumenty Teleskopu Webba pokazały wielkie możliwości w kompleksowych badaniach wszystkich rodzajów egzoplanet lub planet wokół innych gwiazd, do których społeczność naukowców ma jakieś oczekiwania. Jako część tych prac mają być badane atmosfery mniejszych, skalistych planet takich jak na przykład planety w układzie TRAPPIST-1.
Aby w pełni opisać to odkrycie, konieczne było przygotowywane pięciu nowych publikacji naukowych, z których trzy są aktualnie recenzowane, a jedna – w druku. Jednym z przełomowych odkryć jest odkrycie po raz pierwszy molekuły dwutlenku siarki (SO2) w atmosferze egzoplanety. Ta molekuła jest wynikiem procesów chemicznych zainicjowanych przez wysoko-energetyczne promieniowanie pochodzące gwiazdy macierzystej. Podobne procesy zachodzą w górnych warstwach atmosfery ziemskiej i ich efektem jest powstanie ozonosfery.
WASP-39 b krąży wokół swojej gwiazdy macierzystej osiem razy bliżej niż Merkury wokół Słońca i stanowi platformę badawczą nad wpływem promieniowania gwiazd macierzystych na ich egzoplanety. Poprawiające się zrozumienie relacji gwiazda–planeta powinno doprowadzić do większego zrozumienia, jak te procesy wpływają na różnorodność planet obserwowanych w Galaktyce. Teleskop Webba obserwował WASP-39 b, gdy planeta poruszała się na tle swojej gwiazdy. Podczas tego zjawiska zwanego tranzytem, część światła gwiazdy przeszła przez atmosferę planety i pozwoliła zarejestrować promieniowanie od tego obiektu. Astronomowie potrafią zidentyfikować molekuły, obserwując brakujące barwy, ponieważ różne rodzaje związków chemicznych w atmosferze pochłaniają różne kolory z widma gwiazdy.
Teleskop Webba potrafi zidentyfikować chemiczne „odciski palców” w uniwersum, które jest niedostępne dla ludzkiego oka poprzez obserwacje w świetle podczerwonym. Webb zidentyfikował inne składniki atmosfery takie jak sód (Na), potas (K) i parę wodną (H2O). Te wyniki zostały potwierdzone przez wcześniejsze obserwacje zarówno satelitarne, jak i naziemne. Z kolei nowe struktury pochodzące od wody zostały odkryte w większych długościach fali. Dodatkowo Teleskop Webba dostarczył więcej informacji na temat dwutlenku węgla (CO2), ponieważ obserwował te molekuły w rozdzielczości dwa razy większej niż do tej pory. W międzyczasie znaleziono również tlenek węgla (CO), ale nie odkryto śladów molekuł metanu (CH4) i siarkowodoru (H2S).
Atmosfera tej egzoplanety zawiera tak obszerną listę składników chemicznych, że dostarcza astronomom również informację o obfitościach jednych pierwiastków względem innych (np. stosunek obfitości węgla do tlenu lub potasu do tlenu). To z kolei rzuca światło na to jak powstała ta planeta – i prawdopodobnie inne planety – z pierścieni gazowo-pyłowych otaczających macierzystą gwiazdę, gdy jeszcze była bardzo młoda. Skład chemiczny WASP-39 b wskazuje na historię zderzeń i koalescencji pomiędzy planetozymalami lub mniejszymi obiektami, z których ostatecznie powstała olbrzymia planeta o wielkości zbliżonej do Saturna.
Instrumentarium Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba sprawdza się znacznie powyżej oczekiwań naukowców w precyzyjnej analizie atmosfer pozaziemskich. Sygnalizują oni rozpoczęcie nowego etapu badań na wielką różnorodnością egzoplanet w Drodze Mlecznej.
Teleskop Webba zidentyfikował skład atmosfery egzoplanety 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 stronie), 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)
Więcej informacji:
- Webb reveals molecular and chemical portrait of Wasp - 39b atmosphere
- NASA’s Webb Reveals an Exoplanet Atmosphere as Never Seen Before
- Portal Urania: Jak spektrograf NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba zarejestrował widmo transmisyjne atmosfery egzoplanety WASP-39b?
Źródło: NASA/ESA
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji: astronomowie określili skład chemiczny atmosfery egzoplanety WASP-39 b, która jest gorącym olbrzymem. Skład chemiczny został wyznaczony na podstawie widma transmisyjnego w zakresie długości fali λ ~0,5-5,5µm za pomocą spektrografu NIRSpec współpracującego 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 konkretnym molekułom. Źródło: NASA/European Space Agency/Canadian Space Agency/Leah Hustak (Space Telescope Science Institute)/Joseph Olmsted (Space Telescope Science Institute)
