De James Webb Space Telescope onthult de atmosfeer van een exoplaneet als nooit tevoren

De James Webb Space Telescope (JWST) heeft zojuist weer een primeur gescoord: een gedetailleerd moleculair en chemisch beeld van de verre hemel van de wereld.

Het zeer gevoelige instrumentencluster van de telescoop richtte zich op de atmosfeer van “hete Saturnus” – een planeet met de massa van Saturnus die rond een ster cirkelt op ongeveer 700 lichtjaar afstand – bekend als WASP-39 b. Terwijl JWST en andere ruimtetelescopen, waaronder Hubble en Spitzer, eerder geïsoleerde componenten van de atmosfeer van deze planeet hadden gedetecteerd, biedt de nieuwe uitlezing een volledige catalogus van atomen, moleculen en zelfs tekenen van actieve chemie en wolken.

“De helderheid van de signalen van een aantal verschillende deeltjes in de gegevens is opmerkelijk”, zegt Mercedes Lopez-Morales, een astrofysicus bij het Centrum voor Astrofysica. Harvard en Smithsonian en een van de wetenschappers die hebben bijgedragen aan de nieuwe bevindingen.

“We hadden verwacht dat we veel van deze signalen zouden zien, maar toen ik de gegevens voor het eerst zag, was ik onder de indruk”, voegt Lopez-Morales toe.

De nieuwste gegevens geven ook een hint van hoe deze exoplaneetwolken er van dichtbij uit kunnen zien: los in plaats van een enkele, uniforme lijkwade over de planeet.

De resultaten voorspellen veel goeds voor het vermogen van JWST om het brede scala aan onderzoeken uit te voeren op exoplaneten – planeten rond andere sterren – waar wetenschappers op hoopten. Dit omvat het onderzoeken van de atmosfeer van kleinere, rotsachtige planeten zoals die in het TRAPPIST-1-systeem.

Wij merkten op exoplaneet “Het gebruik van meerdere instrumenten samen biedt een breed scala aan infraroodspectrum en een reeks chemische handtekeningen die ontoegankelijk zijn tot JWST”, zegt Natalie Batalha, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die heeft bijgedragen aan en heeft geholpen bij het coördineren van het nieuwe onderzoek. Dit soort data is een game changer.”

De verzameling ontdekkingen wordt gedetailleerd beschreven in een set van vijf nieuw ingediende wetenschappelijke artikelen, beschikbaar op preprint-site arXiv. Een van de ongekende ontdekkingen is de eerste detectie in de atmosfeer van een exoplaneet van zwaveldioxide, een molecuul dat het resultaat is van chemische reacties die worden gegenereerd door hoogenergetisch licht van de moederster van de planeet. Op aarde is de beschermende ozonlaag in bovenste atmosfeer Het is op een vergelijkbare manier gemaakt.

“De verrassende ontdekking van zwaveldioxide bevestigt eindelijk dat fotochemie een ‘heet Saturnusklimaat’ vormt”, zegt Diana Powell, een NASA Hubble Fellow, een astronoom bij het Astrophysical Center en een kernlid van het team dat de ontdekking van zwaveldioxide deed. De aarde is ook door middel van fotochemie, dus onze planeet heeft meer gemeen met ‘hete Saturnus’ dan we eerder wisten.”

Gia Adams, een afgestudeerde student van Harvard en onderzoeker aan het Center for Astrophysics, analyseerde gegevens die het zwaveldioxidesignaal bevestigden.

“Als een vroege carrière-onderzoeker op het gebied van exoplaneet-atmosferen, is het heel opwindend om deel uit te maken van een ontdekking als deze”, zegt Adams. “Het proces van het analyseren van deze gegevens leek magisch. We zagen hints van deze functie in vroege gegevens, maar deze tool met hoge resolutie onthulde de signatuur van SO.”₂ duidelijk en hielp ons het mysterie op te lossen.”

Bij een geschatte temperatuur van 1.600 graden Fahrenheit en een atmosfeer die voornamelijk uit waterstof bestaat, wordt aangenomen dat WASP-39 b niet bewoonbaar is. De exoplaneet is vergeleken met zowel Saturnus als Jupiter, met een vergelijkbare massa als Saturnus, maar met een totale grootte ter grootte van Jupiter. Maar het nieuwe werk wijst de weg naar het vinden van bewijs van mogelijk leven op een bewoonbare planeet.

De nabijheid van de planeet tot zijn gastster – acht keer dichter dan Mercurius bij onze zon – maakt het ook tot een laboratorium voor het bestuderen van de effecten van straling van gaststerren op exoplaneten. Betere kennis van de ster-planeetverbinding zou moeten leiden tot een beter begrip van hoe deze processen de diversiteit van planeten creëren die in de melkweg worden waargenomen.

Andere bestanddelen van de atmosfeer die door JWST zijn ontdekt, zijn natrium, kalium en Waterdampwaarmee eerdere waarnemingen door ruimtetelescopen en telescopen op de grond werden bevestigd, evenals het vinden van extra waterpartijen, op langere golflengten, die nog niet eerder waren waargenomen.

JWST zag het ook Kooldioxide met een hogere resolutie, wat twee keer zoveel gegevens oplevert als haar eerdere waarnemingen. terwijl, Koolmonoxide werd gedetecteerd, maar duidelijke handtekeningen van zowel methaan als waterstofsulfide ontbraken in de gegevens. Als ze bestaan, komen deze moleculen op zeer lage niveaus voor, een belangrijke bevinding voor wetenschappers die de chemie van exoplaneten inventariseren om de vorming en evolutie van deze verre werelden beter te begrijpen.

Het vastleggen van zo’n breed spectrum van de atmosfeer van WASP-39 b was een krachtig wetenschappelijk hoogstandje, aangezien een internationaal team honderden onafhankelijk geanalyseerde gegevens digitaliseerde van vier modi van JWST’s nauwkeurig gekalibreerde instrumenten. Vervolgens maakten ze gedetailleerde vergelijkingen van hun bevindingen, wat meer wetenschappelijk nauwkeurige resultaten opleverde.

JWST ziet het universum binnen infrarood licht, aan de rode kant van het lichtspectrum voorbij wat het menselijk oog kan zien; Hierdoor kan de telescoop chemische handtekeningen oppikken die niet in zichtbaar licht kunnen worden gedetecteerd.

Elk van de drie instrumenten heeft zelfs een versie van infrarood “IR” in zijn naam: NIRSpec, NIRCam en NIRISS.

Om het licht van WASP-39 b te zien, volgde JWST de planeet terwijl deze voor zijn ster passeerde, waardoor een deel van het sterlicht door de atmosfeer van de planeet kon filteren. Verschillende soorten chemicaliën in de atmosfeer absorberen verschillende kleuren van het sterlichtspectrum, dus de ontbrekende kleuren vertellen astronomen welke moleculen aanwezig zijn.

Door een exoplaneet zorgvuldig te analyseren atmosferenovertreft de prestatie van de instrumenten van JWST de verwachtingen van wetenschappers – en belooft een nieuwe fase van verkenning van het brede scala aan exoplaneten van de melkweg.

“Ik kijk ernaar uit om te zien wat we vinden in de atmosfeer van kleine terrestrische planeten”, zegt López-Morales.