Космический телескоп имени Джеймса Уэбба продемонстрировал свой потенциал для изучения атмосфер внесолнечных планет. Острый глаз телескопа был сфокусирован на экзопланете с массой, похожей на Сатурн, которая вращается вокруг звезды примерно в 700 световых годах от Земли, известной как WASP-39. Астрономы ранее обнаруживали свидетельства наличия углекислого газа в атмосфере экзопланеты, но с новыми данными они получили наиболее подробную картину планеты за пределами нашей Солнечной системы, обнаружив облака в ее атмосфере, интригующие химические реакции и подсказки о ее формировании.
В августе астрономы, использующие телескопы Webb, Hubble и Spitzer, объявили о первом однозначном обнаружении углекислого газа в атмосфере WASP-39 b. Новые наблюдения также выявили двуокись серы, впервые обнаруженную на экзопланете. Исследователи также получили информацию об облачном покрове этого далекого мира и ключи к его рождению.
Эти результаты являются хорошим предзнаменованием для способности JWST проводить широкомасштабные исследования планет, вращающихся вокруг других звезд, на которые надеялись ученые. Как отмечают исследователи, инструменты JWST позволяют проводить точный анализ атмосфер экзопланет и превосходят все ожидания. Они обещают новую фазу исследования широкого круга экзопланет в галактике.
Результаты, представляющие лучшее на сегодняшний день понимание учеными атмосферы мира за пределами нашей Солнечной системы, представлены в пяти научных статьях, три из которых были приняты к публикации в Nature, а две все еще находятся на рассмотрении. Все они доступны в базе данных препринтов ARXIV (DOI: 0.48550/ARXIV.2211.10490, DOI: 10.48550/ARXIV.2211.10488, DOI : 10.48550/arxiv.2211.10487, DOI: 10.48550 arxiv1.08191.22191).
WASP-39 b
WASP-39 b — горячий газовый гигант с массой примерно в четверть массы Юпитера, примерно такой же массы, как у Сатурна. Однако его диаметр в 1,3 раза больше диаметра Юпитера. Как отмечают ученые, это сильное «вздутие» частично связано с высокой температурой планеты, составляющей 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 родительской звезде. По сравнению с нашей планетной системой это будет примерно одна восьмая расстояния между Солнцем и Меркурием. WASP-39 b совершает оборот вокруг своей звезды чуть более чем за четыре земных дня.
Планета WASP-39 b была обнаружена транзитным методом в 2011 году. Этот метод измеряет яркость звезд, ища небольшие, регулярные затемнения, которые могли быть вызваны орбитой планеты вокруг звезды. Если плоскость орбиты планеты правильно выровнена с нашим лучом зрения, то такая планета будет периодически проходить перед своей звездой — совершать транзит, что будет вызывать периодическое уменьшение яркости светила. Благодаря таким анализам провалов электромагнитного излучения были открыты тысячи планет.
Транзитные планеты, такие как WASP-39 b, чьи орбиты наблюдаются сбоку, а не сверху, могут предоставить ученым идеальные возможности для изучения атмосфер. Во время транзита часть света звезды полностью затмевается планетой, а часть проходит через ее атмосферу, что позволяет охарактеризовать ее. Атмосферные газы поглощают свет определенной длины волны, что проявляется в небольшом уменьшении яркости по мере распространения звездного света по спектру атмосферы. Анализируя спектр доходящего до нас света, ученые могут определить, из чего состоит атмосфера.
По признанию Мерседес Лопес-Моралес из Центра астрофизики Harvard & Smithsonian, сигналы множества различных молекул четко видны в данных, собранных «Уэббом».
Мы ожидали, что в данных будет много таких сигналов, но когда я впервые увидела данные, я была очень впечатлена», — добавляет Лопес-Моралес.
Мы наблюдали за экзопланетой с помощью нескольких инструментов, которые вместе обеспечивают широкий спектр инфракрасных спектров и ряд химических отпечатков пальцев, недоступных в таких исследованиях, пока не появился JWST, — говорит Натали Баталья из Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Подобные данные меняют правила игры, — добавляет она.
Беспрецедентные открытия
Многие из соединений, обнаруженных в атмосфере Земли, в том числе некоторые необходимые для жизни, не существовали, когда планета формировалась. Они были продуктом химических реакций, вызванных солнечным светом. Эти фотохимические реакции также происходят в атмосферах других планет Солнечной системы, и было предсказано, что они будут происходить и в атмосферах экзопланет. Но до сих пор их ни разу не наблюдали.
Среди беспрецедентных открытий — первое обнаружение диоксида серы в атмосфере экзопланеты. Как указывают исследователи, диоксид серы образовался на WASP-39 b в результате химических реакций, вызванных высокоэнергетическим светом родительской звезды. На Земле аналогичным образом формируется защитный озоновый слой в верхних слоях атмосферы. В случае WASP-39 b свет от звезды чуть меньше Солнца расщепляет воду в атмосфере на водород и гидроксид, который вступает в реакцию с сероводородом с образованием диоксида серы.
Неожиданное открытие двуокиси серы убедительно подтверждает, что фотохимия формирует климат «горячих Сатурнов», говорит Дайана Пауэлл из Центра астрофизики Harvard & Smithsonian.
Климат Земли также определяется фотохимией, поэтому наша планета имеет больше общего с «горячими Сатурнами», чем мы думали раньше.
Атмосфера WASP-39 b
Другие компоненты атмосферы, обнаруженные JWST, включают натрий, калий и водяной пар, что подтверждает предыдущие наблюдения из космоса и наземных телескопов. То же самое и с углекислым газом.
Исследователи также обнаружили угарный газ, но в данных не было явных признаков ни метана, ни сероводорода. Если они и присутствуют, то эти молекулы присутствуют на очень низком уровне, что является важным открытием для ученых, изучающих химию экзопланет, чтобы лучше понять формирование и развитие этих далеких миров.
Химический состав атмосферы этой планеты также позволил ученым узнать больше о ее прошлом. Глядя на относительные отношения углерода к кислороду, калия к кислороду и серы к водороду, команда считает, что планета образовалась в результате накопления более мелких тел — палнетозималей.
Кроме того, учитывая, что кислорода в атмосфере намного больше, чем углерода, команда склоняется к мысли, что этот мир сформировался гораздо дальше от звезды, а затем мигрировал в центр системы.
Обилие серы по сравнению с водородом указывает на то, что на планете, вероятно, произошло значительное накопление планетезималей, которые могут доставлять эти компоненты в атмосферу, — сказал Казумаса Оно из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Данные также показывают, что в атмосфере намного больше кислорода, чем углерода. Это потенциально указывает на то, что WASP-39 b изначально сформировалась далеко от звезды.
Ученые также подтвердили, что в атмосфере есть облака из сульфидов и силикатов, но вместо слоя равномерно распределенных облаков они распределены более фрагментарно.
Кроме того, уровни диоксида серы были намного выше, чем они должны были бы быть, если бы планета полностью состояла из вещества, образовавшегося во время формирования системы. Исследователи отмечают, что единственное объяснение состоит в том, что свет звезды вызвал цепочку химических реакций в атмосфере планеты, в результате которых образовался диоксид серы.
Дальнейшие исследования
При предполагаемой температуре 900 градусов по Цельсию и атмосфере, состоящей в основном из водорода, WASP-39 b считается непригодным для проживания человека миром. Экзопланету сравнивают как с Сатурном, так и с Юпитером, с массой, подобной Сатурну, но общими размерами, подобными Юпитеру.
Близость планеты к своей родительской звезде — в восемь раз ближе, чем расстояние Меркурия до нашего Солнца — также делает ее отличной лабораторией для изучения влияния звездного излучения на экзопланеты. Лучшее понимание отношений между звездой и планетой должно обеспечить более глубокое понимание того, как эти процессы создают разнообразие наблюдаемых планет в галактике.
