Webb-teleskopet foretager første utvetydige påvisning af kuldioxid i en exoplanetatmosfære

For første gang har astronomer fundet utvetydige beviser for kuldioxid i atmosfæren på en exoplanet (en planet uden for vores solsystem).

Opdagelsen, accepteret til offentliggørelse i Nature og offentliggjort den 25. august, demonstrerer James Webb Space Telescope (JWST) kraft til at levere hidtil usete observationer af exoplanetatmosfærer.

Natalie Batalha, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz, leder holdet af astronomer, der foretog detektionen, ved at bruge JWST til at observere en Saturn-masseplanet kaldet WASP-39b, som kredser meget tæt på en sollignende stjerne omkring 700 lys- år fra Jorden.

"Tidligere observationer af denne planet med Hubble og Spitzer havde givet os fristende hints om, at kuldioxid kunne være til stede," sagde Batalha. "Dataene fra JWST viste en utvetydig kuldioxidegenskab, der var så fremtrædende, at den nærmest råbte ad os."

Kuldioxid er en vigtig bestanddel af atmosfæren på planeter i vores solsystem, fundet på klippeplaneter som Mars og Venus samt gasgiganter som Jupiter og Saturn. For exoplanetforskere er det vigtigt både som en gas, de sandsynligvis vil være i stand til at detektere på små klippeplaneter og som en indikator for den samlede overflod af tunge grundstoffer i gigantiske planeters atmosfære.

"Culdioxid er faktisk en meget følsom målestok - den bedste, vi har - for tunge grundstoffer i gigantiske planetatmosfærer, så det faktum, at vi kan se det så tydeligt, er virkelig fantastisk," sagde medforfatter Jonathan Fortney, professor i astronomi og astrofysik ved UCSC og direktør for Other Worlds Laboratory.

Stjerner og gasgigantiske planeter er primært lavet af de letteste grundstoffer, brint og helium, men overfloden af ​​tungere grundstoffer – det astronomer kalder "metallicitet" – er en kritisk faktor i planetdannelsen, forklarede Fortney.

"Evnen til at bestemme mængden af ​​tunge grundstoffer i en planet er afgørende for at forstå, hvordan den er dannet, og vi vil være i stand til at bruge denne kuldioxid-målepind til en hel masse exoplaneter til at opbygge en omfattende forståelse af gigantiske planeters sammensætning ," sagde han.

Batalhas hold observerede WASP-39b som en del af et JWST Early Release Science-program for at studere transiterende exoplaneter. En planet i transit passerer foran sin stjerne set fra Jorden, hvilket gør det muligt for astronomer at analysere det stjernelys, der passerer gennem planetens atmosfære, hvor gasser som kuldioxid absorberer visse bølgelængder af lys.

Ved at bruge den nære infrarøde spektrograf (NIRSpec) på JWST opnåede holdet et "transmissionsspektrum" i høj opløsning, der viser lyset transmitteret gennem WASP-39bs atmosfære adskilt i dets komponentbølgelængder. Batalha sagde, at dataene gav "udsøgte lyskurver" og viste, at NIRSpec-instrumentet overgår forventningerne til transmissionsspektroskopi. Dette lover godt for observationer af små klippeplaneter, som forventes at have kuldioxid i deres atmosfærer (når de har atmosfærer), men som ikke vil give et så stærkt signal som en kæmpeplanet som WASP-39b.

"Denne påvisning vil tjene som et nyttigt benchmark for, hvad vi kan gøre for at opdage kuldioxid på jordiske planeter fremover," sagde Batalha. "Det er den mest sandsynlige atmosfæriske gas, vi vil detektere med JWST i terrestrisk størrelse exoplanetatmosfærer."

Ud over kuldioxid opdagede forskerne en anden interessant funktion i spektret af WASP-39b, som de endnu ikke har identificeret. "Det er en mystisk funktion for nu," sagde Batalha. "I dette papir fokuserede vi på et snævert udvalg af infrarøde farver - dette er kun et eksempel på de funktioner, vi forventer at se i hele spektret."

Fortney bemærkede, at WASP-39b ser ud til at have en lignende sammensætning som Saturn. Saturns metallicitet er 10 gange solens, og WASP-39b ser også ud til at være beriget med tunge grundstoffer omkring 10 gange i forhold til solen.

"Det er super interessant, og vi ville elske at vide, om alle planeter med Saturn-masse har samme metallicitet," sagde han. "Det var spændende at se dette i et andet system, for vi vidste ikke, hvad vi kunne forvente, da vi gik fra planeterne i vores solsystem til atmosfæren på exoplaneter."

Beliggende i stjernebilledet Jomfruen er WASP-39b mere end 20 gange tættere på sin stjerne, end Jorden er på solen. Selvom den har omtrent samme masse som Saturn, er den mindre tæt og omkring 50 procent større, sandsynligvis på grund af opvarmning fra at være så tæt på dens værtsstjerne. Tidligere observationer viste, at den har relativt klar himmel, hvilket gør den til et godt mål for transmissionsspektroskopi.

Da de første data fra JWST blev frigivet i juli, var UCSCs exoplanetforskere vært for 45 besøgende astronomer til Other Worlds Laboratorys årlige Exoplanet Summer Program. "Vi sad alle sammen omkring den bærbare computer og fik vores første kig på spektret og undrede os over det," sagde Batalha. "Det er en enorm, næsten euforisk følelse, at se noget for første gang, som intet andet menneske har set før - det er det, videnskab handler om." + Udforsk yderligere

Webb afslører dampende atmosfære fra en fjern planet i detaljer