Космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» предоставил первое четкое свидетельство наличия углекислого газа в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы.
Это наблюдение за газовым гигантом WASP-39 b, вращающимся вокруг солнцеподобной звезды WASP-39 на расстоянии около 700 световых лет от Земли, дает важные сведения о составе и формировании экзопланеты.
Открытие, которое было принято к публикации в научном журнале Nature, ясно свидетельствует о том, что в будущем «Джеймс Уэбб» сможет обнаруживать и измерять количество углекислого газа в более разреженных атмосферах небольших каменистых экзопланет.
WASP-39 b — газовый гигант класса «горячий юпитер» с массой примерно в четверть массы Юпитера (примерно такой же, как у Сатурна), но при этом его диаметр в 1,3 раза больше диаметра Юпитера. Его крайняя «раздутость» частично связана с высокой температурой атмосферы (около 900 градусов по Цельсию). В отличие от более холодных и компактных газовых гигантов в нашей Солнечной системе, WASP-39 b вращается очень близко к своей звезде — всего около одной восьмой расстояния между Солнцем и Меркурием — совершая один оборот чуть более чем за четыре земных дня.
Открытие WASP-39 b, о котором было объявлено в 2011 году, было сделано в рамках проекта WASP, направленного на обнаружение экзопланет транзитным методом. Другими словами, экзопланета WASP-39 b была обнаружена в момент прохождения перед диском родительской звезды, что привело к незначительному снижению яркости последней.
Предыдущие наблюдения с помощью других телескопов, включая космические телескопы NASA «Хаббл» и «Спитцер», выявили в атмосфере WASP-39 b присутствие водяного пара, натрия и калия. Непревзойденная чувствительность «Джеймса Уэбба» к инфракрасному излучению позволила выявить наличие углекислого газа в атмосфере изучаемой экзопланеты.
Отфильтрованный звездный свет
Транзитные планеты, такие как WASP-39 b, чьи орбиты мы наблюдаем «с ребра», а не «сверху», могут предоставить ученым идеальные возможности для исследования планетарных атмосфер. Во время транзита одна часть звездного света полностью блокируется планетой (вызывая общее затемнение), а другая — проходит через атмосферу планеты.
Проходя через атмосферу планеты, звездный свет испытывает в ней рассеяние по всему спектру и поглощение в избранных частотах, после чего в спектре планеты появляются линии или полосы поглощения, совершенно аналогичные теллурическим линиям, образующимся в земной атмосфере. Благодаря сочетанию раздутой атмосферы и частых транзитов WASP-39 b является идеальной мишенью для спектрального анализа, который позволяет очень точно определить химический состав атмосферы.
Первое четкое обнаружение углекислого газа
Для наблюдения за WASP-39 b команда исследователей применила спектрограф ближнего инфракрасного диапазона «Джеймса Уэбба» (NIRSpec). В полученном спектре атмосферы экзопланеты (ниже) небольшой «холм» размером от 4,1 до 4,6 микрон представляет собой первое четкое и неоспоримое свидетельство наличия углекислого газа, когда-либо обнаруженного на планете за пределами Солнечной системы.
«Как только данные появились на моем экране, меня захватила колоссальная функция углекислого газа, — сказал Зафар Рустамкулов, аспирант Университета Джонса Хопкинса и член исследовательской группы JWST Transiting Exoplanet Community Early Release, которая провела это исследование. — Это был особый момент, когда мы преодолели важную веху в науках об экзопланетах».
Ни одна обсерватория никогда раньше не измеряла такие тонкие различия в яркости столь многих отдельных цветов в диапазоне от 3 до 5,5 микрон (ниже) в спектре передачи экзопланеты. Доступ к этой части спектра имеет решающее значение для обнаружения и измерения количества газов, таких как водяной пар и метан, а также углекислый газ, которые, как считается, присутствуют в атмосферах многих экзопланет.
«Обнаружение такого четкого сигнала углекислого газа на WASP-39 b служит хорошим предзнаменованием для детального изучения атмосфер на меньших планетах земного размера», — прокомментировала Натали Баталья, профессор астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете в Санта-Круз, которая возглавила исследование.
Понимание состава атмосферы планеты важно, потому что оно говорит нам кое-что о зарождении планеты и о том, как она развивалась.
«Молекулы углекислого газа являются чувствительными индикаторами истории формирования планет, — сказал Майк Лайн из Университета штата Аризона, еще один член команды исследователей. — Измерив количество углекислого газа, мы можем определить, сколько твердого и сколько газообразного материала было использовано при формировании этого газового гиганта. В ближайшее десятилетие JWST [«Джеймс Уэбб»] проведет замеры для множества экзопалнет, что даст представление о деталях формирования этих миров и об уникальности нашей Солнечной системы».
Изучение атмосферы WASP-39 b с помощью NIRSpec является лишь частью более крупного исследования, которое включает в себя наблюдения за планетой с использованием нескольких инструментов «Джеймса Уэбба», а также наблюдения за двумя другими экзопланетами, открытыми транзитным методом.
«Джеймс Уэбб» — самый мощный космический телескоп в истории человечества, который был создан и запущен для того, чтобы помогать нам разгадывать тайны Солнечной системы, изучать миры на орбитах далеких звезды, исследовать таинственные космические структуры, происхождение Вселенной и наше в ней место.
