James Webb onthult de atmosfeer van een exoplaneet als nooit tevoren

NASA’s James Webb Space Telescope zet zijn missie voort om te zoeken naar sporen van leven elders in het universum. Onlangs leverde hij de meest gedetailleerde analyse tot nu toe van de atmosfeer van een exoplaneet, WASP-39b. Zo konden de onderzoekers een nieuw molecuul in zijn atmosfeer identificeren: zwaveldioxide, waarvan de aanwezigheid alleen kan worden verklaard door fotochemie (reacties veroorzaakt door sterlicht), en essentieel is voor de processen die het leven op een planeet mogelijk maken.

Een exoplaneet, of exoplaneet, is een planeet buiten ons zonnestelsel die meestal om een ​​andere ster in ons zonnestelsel draait. heelal. Bovendien is een statistische schatting gebaseerd op gegevens van de ruimtetelescoop Kepler Van NASA, dat er meer planeten dan sterren in ons sterrenstelsel zijn. Dit betekent dat er alleen al in ons melkwegstelsel meer dan een biljoen planeten zijn, waarvan er vele binnen het bereik van de aarde liggen.

Maar WASP-39b Het is een planeet zoals geen enkele andere planeet in ons zonnestelsel. Het is enorm, ongeveer zo groot als Saturnus, en draait om zijn ster dichter dan de planeet Mercurius om onze zon is, ongeveer 700 lichtjaren in de aarde.

Deze exoplaneet was een van de eersten die door een ruimtetelescoop werd onderzocht James Webb Toen hij zijn reguliere wetenschappelijke operaties begon. De resultaten maakten de wetenschappelijke gemeenschap enthousiast die aan exoplaneten werkt.

Onlangs hebben de zeer gevoelige Webb-instrumenten een uitgebreid profiel opgeleverd van de atmosferische componenten van WASP-39b, waar eerdersamen met andere ruimtetelescopen, incl Hubble En de spits Van NASA zijn alleen componenten gedetecteerd die geïsoleerd zijn uit de atmosfeer van deze brandende planeet. Zo identificeerde Webb water, zwaveldioxide, koolmonoxide, natrium en kalium, om nog maar te zwijgen van actieve chemie en wolkenmarkers.

Zwaveldioxide, voor het eerst gedetecteerd in de atmosfeer van de planeet

U moet weten dat de aanwezigheid van zwaveldioxide alleen kan worden verklaard door fotochemie. Met andere woorden, dit molecuul wordt geproduceerd door chemische reacties die worden veroorzaakt door hoogenergetisch licht van de moederster van de planeet. Op aarde is fotochemie essentieel voor levensgerelateerde processen, zoals fotosynthese en het genereren van de beschermende ozonlaag in de bovenste atmosfeer.

Diana Powell, een NASA Hubble Fellow, een astronoom bij het Astrophysics Center en een belangrijk lid van het team dat zwaveldioxide ontdekte, zegt in communicatie :” De verrassende ontdekking van zwaveldioxide bevestigt eindelijk dat fotochemie vorm geeft aan het hete klimaat van Saturnus. Het klimaat op aarde wordt ook gevormd door fotochemie, dus onze planeet heeft meer gemeen met “hete Saturnus” dan we eerder dachten. “.

Deze bevinding, samen met het feit dat Wasp-39b zo dicht bij zijn ster staat, stelde onderzoekers van een ander team in staat om de effecten van straling van gaststerren op exoplaneten te bestuderen.Shang-Min Tsai, onderzoeker aan de Universiteit van Oxford, VK en hoofd auteur van het artikel waarin de oorsprong van zwaveldioxide in de atmosfeer van WASP-39b wordt uitgelegd, legt hij uit: ” Dit is de eerste keer dat we concreet bewijs van fotochemie op exoplaneten hebben gezien “.

Betere kennis van de ster-planeet-verbinding zou moeten leiden tot een beter begrip van hoe deze processen de diversiteit van planeten die in de melkweg worden waargenomen beïnvloeden en een weg banen naar het vinden van bewijs van mogelijk leven op een bewoonbare planeet.

Integratie van de instrumenten van James Webb onthult een groot aantal moleculen

Om het licht van WASP-39 b te zien, volgde Webb 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 golflengten vertellen astronomen welke moleculen aanwezig zijn.

Om het brede spectrum van de atmosfeer van WASP-39b vast te leggen, gebruikte een groot internationaal team drie verschillende instrumenten op de telescoop: NIRSpec (in twee verschillende waarnemingsmodi), NIRISS en NIRCam. De onderzoekers verkregen de transmissiespectra tijdens vier transits van WASP-39b, Infrarood golflengten variëren van 1 tot 5 micron. Vervolgens maakten ze gedetailleerde vergelijkingen van hun resultaten, wat resulteerde in meer wetenschappelijk nauwkeurige resultaten.

Natalie Batalha, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die het wetenschappelijke team voor vroege vrijlating van Jupiter exoplanet transit leidt, legt uit in communicatie :” Brede golflengtedekking geeft een completer beeld van de omstandigheden in de atmosfeer. Bovendien produceert elke transitwaarneming een planetair spectrum op verschillende, maar overlappende golflengten, waardoor we de reproduceerbaarheid van elk instrument kunnen testen. “.

Concreet kan Webb door het universum in infrarood licht te bekijken, chemische vingerafdrukken detecteren die niet waarneembaar zijn in zichtbaar licht, waaronder natrium (Na), kalium (K) en waterdamp (H).₂O), een bevestiging van eerdere waarnemingen van telescopen in de ruimte en op de grond. Bovendien verbeteren deze gegevens het beeld van de bestaande wolken: ze zullen fragmentarisch zijn en dus geen enkele uniforme bedekking op de planeet vormen.

Webb ontdekte ook de aanwezigheid van kooldioxide (CO₂) met een hogere resolutie, wat twee keer zoveel gegevens opleverde als tijdens zijn eerdere waarnemingen. Hoewel koolmonoxide (CO) is gedetecteerd, zijn handtekeningen van methaan (CH₄) en waterstofsulfide (H₂S) ontbraken in de gegevens. Als deze moleculen bestaan, komen ze 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.

Draai het verhaal

Het hebben van zo’n uitgebreide lijst van chemische elementen in de atmosfeer van een exoplaneet geeft wetenschappers ook inzicht in hun hoeveelheden ten opzichte van elkaar, zoals de verhoudingen van koolstof, zuurstof, kalium en zuurstof. Dit geeft op zijn beurt inzicht in hoe deze planeet – en mogelijk andere – is gevormd uit de schijf van gas en stof die oorspronkelijk de moederster omringde.

Daarom geeft deze chemische inventaris van WASP-39b de geschiedenis aan van de botsing en fusie van kleinere lichamen die planetesimalen worden genoemd. Voor exoplaneetonderzoeker Kazumasa Ohno van UC Santa Cruz, die aan de gegevens van Webb werkte, geeft de overvloed aan zwavel ten opzichte van waterstof aan dat de planeet een grote opeenhoping van die kleine planeten heeft meegemaakt die de atmosfeer van deze elementen voorzagen.

Zij voegt toe: De gegevens geven ook aan dat zuurstof overvloediger is dan koolstof in de atmosfeer. Dit geeft waarschijnlijk aan dat WASP-39 b oorspronkelijk ver van de centrale ster is ontstaan “.

Door de atmosfeer van een exoplaneet met zo’n precisie te analyseren, hebben de instrumenten van de Webb-telescoop de verwachtingen van wetenschappers overtroffen. Deze resultaten voorspellen veel goeds voor het vermogen van Webb’s instrumenten om talloze taken uit te voeren op allerlei soorten exoplaneten, inclusief kleine, rotsachtige werelden zoals die in het TRAPPIST-1-systeem. Er is een nieuwe manier geopend om verre werelden te verkennen.