Webb afslører dampende atmosfære fra en fjern planet i detaljer

NASAs James Webb-rumteleskop har fanget vandets distinkte signatur, sammen med beviser for skyer og dis, i atmosfæren omkring en varm, hævet gasgigantplanet, der kredser om en fjern sollignende stjerne.

Observationen, som afslører tilstedeværelsen af ​​specifikke gasmolekyler baseret på bittesmå fald i lysstyrken af ​​præcise lysfarver, er den mest detaljerede af sin slags til dato, og demonstrerer Webbs hidtil usete evne til at analysere atmosfærer hundreder af lysår væk.

Mens Hubble-rumteleskopet har analyseret adskillige exoplanetatmosfærer i løbet af de sidste to årtier og fanget den første klare detektering af vand i 2013, markerer Webbs umiddelbare og mere detaljerede observation et kæmpe spring fremad i søgen efter at karakterisere potentielt beboelige planeter uden for Jorden.

WASP-96 b er en af ​​mere end 5.000 bekræftede exoplaneter i Mælkevejen. Beliggende omkring 1.150 lysår væk i den sydlige himmel-konstellation Phoenix, repræsenterer den en type gaskæmpe, der ikke har nogen direkte analog i vores solsystem. Med en masse mindre end det halve af Jupiter og en diameter på 1,2 gange større, er WASP-96 b meget mere oppustet end nogen planet, der kredser om vores Sol. Og med en temperatur på over 1000°F er det betydeligt varmere. WASP-96 b kredser ekstremt tæt på sin sollignende stjerne, kun en niendedel af afstanden mellem Merkur og Solen, og fuldfører et kredsløb hver 3½ jorddag.

Kombinationen af ​​stor størrelse, kort omløbstid, hævet atmosfære og mangel på forurenende lys fra objekter i nærheden på himlen gør WASP-96 b til et ideelt mål for atmosfæriske observationer.

Den 21. juni målte Webbs Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) lys fra WASP-96-systemet i 6,4 timer, mens planeten bevægede sig hen over stjernen. Resultatet er en lyskurve, der viser den samlede dæmpning af stjernelys under transitten, og et transmissionsspektrum, der afslører lysstyrkeændringen af ​​individuelle bølgelængder af infrarødt lys mellem 0,6 og 2,8 mikron.

Mens lyskurven bekræfter egenskaber ved planeten, som allerede var blevet bestemt ud fra andre observationer - planetens eksistens, størrelse og kredsløb - afslører transmissionsspektret tidligere skjulte detaljer om atmosfæren:vandets utvetydige signatur, indikationer på dis, og beviser for skyer, som man troede ikke eksisterede baseret på tidligere observationer.

Et transmissionsspektrum er lavet ved at sammenligne stjernelys filtreret gennem en planets atmosfære, når det bevæger sig hen over stjernen, med det ufiltrerede stjernelys, der registreres, når planeten er ved siden af ​​stjernen. Forskere er i stand til at detektere og måle mængden af ​​nøglegasser i en planets atmosfære baseret på absorptionsmønsteret - placeringen og højden af ​​toppe på grafen. På samme måde som mennesker har karakteristiske fingeraftryk og DNA-sekvenser, har atomer og molekyler karakteristiske bølgelængdemønstre, som de absorberer.

Spektret af WASP-96 b fanget af NIRISS er ikke kun det mest detaljerede nær-infrarøde transmissionsspektrum af en exoplanetatmosfære, der er fanget til dato, men det dækker også et bemærkelsesværdigt bredt spektrum af bølgelængder, inklusive synligt rødt lys og en del af spektret som ikke tidligere har været tilgængelig fra andre teleskoper (bølgelængder længere end 1,6 mikron). Denne del af spektret er særligt følsom over for vand såvel som andre nøglemolekyler som oxygen, metan og kuldioxid, som ikke umiddelbart er tydelige i WASP-96 b-spektret, men som burde kunne påvises i andre exoplaneter, der er planlagt til observation af Webb .

Forskere vil være i stand til at bruge spektret til at måle mængden af ​​vanddamp i atmosfæren, begrænse mængden af ​​forskellige elementer som kulstof og ilt og estimere atmosfærens temperatur med dybden. De kan derefter bruge denne information til at drage slutninger om planetens overordnede sammensætning, samt hvordan, hvornår og hvor den er dannet. Den blå linje på grafen er en model, der passer bedst til hinanden, der tager højde for data, de kendte egenskaber for WASP-96 b og dens stjerne (f.eks. størrelse, masse, temperatur) og atmosfærens forudsatte karakteristika.

De usædvanlige detaljer og klarhed af disse målinger er mulig på grund af Webbs avancerede design. Dets 270 kvadratmeter guldbelagte spejl opsamler infrarødt lys effektivt. Dens præcisionsspektrografer spreder lys ud i regnbuer af tusindvis af infrarøde farver. Og dens følsomme infrarøde detektorer måler ekstremt subtile forskelle i lysstyrke. NIRISS er i stand til at detektere farveforskelle på kun omkring en tusindedel af en mikron (forskellen mellem grøn og gul er omkring 50 mikron), og forskelle i lysstyrken mellem disse farver på et par hundrede dele pr. million.

Derudover giver Webbs ekstreme stabilitet og dens orbitale placering omkring Lagrange Point 2 omkring en million miles væk fra de forurenende virkninger af Jordens atmosfære et uafbrudt udsyn og rene data, der kan analyseres relativt hurtigt.

Det ekstraordinært detaljerede spektrum – lavet ved samtidig at analysere 280 individuelle spektre fanget i løbet af observationen – giver blot en antydning af, hvad Webb har i vente til exoplanetforskning. I løbet af det kommende år vil forskere bruge spektroskopi til at analysere overflader og atmosfærer på flere dusin exoplaneter, fra små klippeplaneter til gas- og isrige kæmper. Næsten en fjerdedel af Webbs cyklus 1-observationstid er afsat til at studere exoplaneter og de materialer, der danner dem.

Denne NIRISS-observation viser, at Webb har magten til at karakterisere atmosfæren på exoplaneter – inklusive dem på potentielt beboelige planeter – i udsøgte detaljer. + Udforsk yderligere

Webbs NIRISS-instrument er klar til at se kosmos i over 2.000 infrarøde farver