Спектр пропускания атмосферы экзопланеты нельзя получить непосредственно путем фотографирования ее щита или атмосферы. Он создается путем сравнения света звезды-хозяина, отфильтрованного атмосферой экзопланеты, когда экзопланета проходит перед звездой (транзит), с нефильтрованным светом, когда экзопланета находится рядом со звездой.
WASP-39 b — гигантская горячая экзопланета, вращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце. Система расположена на расстоянии около 700 л.у. в созвездии Девы. Эта экзопланета вращается очень близко к своей звезде-хозяину (менее 1/20 расстояния между Землей и Солнцем), и ей требуется чуть больше четырех земных дней, чтобы совершить один оборот вокруг своей звезды. Звезда WASP-39 имеет примерно такие же размеры, массу, температуру и цвет, как и наше Солнце. Планета была открыта в 2011 году на основе наземных наблюдений.
На заднем плане заглавного изображения внешний вид экзопланеты WASP-39 bi ее родительской звезды показан в соответствии с текущим уровнем знаний, основанным на спектроскопии, полученной с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, и предыдущих спутниковых и наземных наблюдениях. Телескоп Уэбба не делал прямых снимков диска или атмосферы экзопланеты.
Понять химический состав атмосферы экзопланеты WASP-39 b удалось благодаря получению спектра пропускания ее атмосферы. Для этого транзит экзопланеты, т. е. прохождение перед диском звезды, наблюдался спектроскопически.
Транзитные наблюдения экзопланеты WASP-39 b были выполнены 10 июля 2022 года. спектрографом NIRSpec, взаимодействующим с телескопом Webb, в режиме непрерывного наблюдения яркого объекта с помощью призмы (режим временных рядов ярких объектов PRISM). В этом режиме призма разделяет свет одного яркого объекта, такого как звезда WASP-39, и измеряет яркость на каждой длине волны в течение определенного интервала времени.
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) — один из самых универсальных инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба для спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне (λ ~ 0,6–5 мкм).
В дополнение к спектроскопии с использованием стандартной спектроскопии с одной щелью в щелевом режиме, NIRSpec имеет
встроенный полевой блок (IFU) для изучения всего поля скорости и направления для протяженных объектов, таких как галактики или погруженные протозвезды в туманности (в этом моде поле вид спектрографа 3”x3”);
матрица из 248 000 микромоментальных снимков 100x200 мкм с индивидуальным управлением , позволяющая одновременно проводить спектроскопию до 100 объектов (мультиобъектный режим);
Режим временных рядов позволяет записывать спектр объекта через фиксированные интервалы, чтобы фиксировать изменения во времени.
На титульном изображении показаны наблюдения за звездной системой WASP-39, проведенные в течение восьми часов космическим телескопом Джеймса Уэбба, начиная с трех часов до прохождения и заканчивая через два часа после выхода из него. Сам переход занял около трех часов. Кривая блеска в каждом из трех цветов содержит 500 отдельных измерений яркости — примерно по одному в минуту.
Хотя все цвета в некоторой степени блокируются атмосферой планеты, некоторые цвета блокируются больше, чем другие. Это связано с тем, что каждый газ в атмосфере поглощает разное количество света для данной длины волны. В результате каждый цвет имеет немного другую кривую блеска. Во время прохождения экзопланеты WASP-39 b свет с длиной волны λ ~ 4,3 мкм не был таким ярким, как λ ~ 3,0 мкм или λ ~ 4,7 мкм, потому что он поглощался углекислым газом (CO 2 ).
Спектрограф NIRSpec в непрерывном режиме позволяет одновременно наблюдать один и тот же объект не в трех цветах, как показано на заглавной иллюстрации, а в гораздо большем количестве цветов. Это позволяет получить спектр пропускания атмосферы экзопланеты даже в несколько сотен цветов — что представлено на рисунке ниже.
Спектр пропускания создается путем сравнения света звезды-хозяина, отфильтрованного атмосферой экзопланеты, когда он проходит перед звездой (транзит), с нефильтрованным светом, когда экзопланета находится рядом со звездой. Количество света, поглощаемого атмосферой экзопланеты на определенной длине волны λ, представлено на этом графике белыми кружками. Максимумы в спектре пропускания видны на длинах волн, поглощаемых атмосферой экзопланеты.
Синяя линия представляет наиболее подходящую модель, которая учитывает известные свойства WASP-39 b и ее звезды, такие как размер, масса и температура, а также гипотетические характеристики атмосферы. Чтобы улучшить соответствие и получить более глубокое понимание окружающей среды, астрономы изменяют в модели параметры, определяющие неизвестные свойства, такие как высота облаков в атмосфере и содержание различных газов.
В спектре пропускания экзопланеты WASP-39 b астрономы идентифицировали калий (K), натрий (Na), воду (H2O ) , монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO2 ) и диоксид серы (SO2 ) .
Астрономы определили состав атмосферы горячей экзопланеты-гиганта WASP-39 b. Это стало возможным на основании спектра пропускания в диапазоне длин волн λ ~0,5-5,5 мкм, который был получен спектрографом NIRSpec, взаимодействующим с телескопом Webb в конфигурации PRISM, т.е. с использованием призмы. В горячей атмосфере этой планеты виден насыщенный молекулярный бульон, в том числе молекулы двуокиси серы (SO 2 ) , обнаруженные впервые . Синяя линия представляет собой наиболее подходящую теоретическую модель атмосферы, а прямоугольники разного цвета выделяют максимумы, приписываемые молекулам.