Το Webb εντόπισε για πρώτη φορά διοξείδιο του άνθρακα σε ατμόσφαιρα εξωπλανήτη

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb επιδεικνύει τη φασματοσκοπική του δύναμη με την πρώτη αδιαμφισβήτητη ανίχνευση διοξειδίου του άνθρακα σε μια πλανητική ατμόσφαιρα έξω από το Ηλιακό μας Σύστημα.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb των NASA/ESA/CSA εντόπισε αδιάσειστα στοιχεία για την ύπαρξη διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα ενός γιγάντιου αέριου πλανήτη που περιφέρεται γύρω από ένα αστέρι που μοιάζει με τον Ήλιο, 700 έτη φωτός μακριά. Η παρατήρηση παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τη σύνθεση και το σχηματισμό του πλανήτη και είναι ενδεικτικό της ικανότητας του Webb να ανιχνεύει και να μετρά το διοξείδιο του άνθρακα στις λεπτές ατμόσφαιρες μικρότερων βραχωδών πλανητών.

Ο WASP-39 b είναι ένας θερμός αέριος γίγαντας, με μάζα περίπου το ένα τέταρτο αυτής του Δία (περίπου ίδια με τον Κρόνο) και διάμετρο 1,3 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Δία. Η ακραία διόγκωσή του σχετίζεται εν μέρει με την υψηλή θερμοκρασία του (περίπου 900 °C). Σε αντίθεση με τους ψυχρότερους, πιο συμπαγείς αέριους γίγαντες στο Ηλιακό μας Σύστημα, ο WASP-39 b περιφέρεται πολύ κοντά στο άστρο του – περίπου το ένα όγδοο της απόστασης μεταξύ Ήλιου και Ερμή – ολοκληρώνοντας μια περιφορά σε τέσσερις γήινες ημέρες περίπου. Η ανακάλυψη του πλανήτη το 2011, βασίστηκε σε επίγειες ανιχνεύσεις της μικρής, περιοδικής μείωσης του φωτός του άστρου, καθώς ο πλανήτης διέρχονταν μπροστά από το αστέρι.

Η καμπύλη φωτός του εξωπλανήτη

Κατά τη διάρκεια μιας διάβασης, μέρος του αστρικού φωτός αποκρύπτεται εντελώς από τον πλανήτη (προκαλώντας συνολική εξασθένηση) και ένα μέρος μεταδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας του πλανήτη. Η ατμόσφαιρα φιλτράρει ορισμένα χρώματα περισσότερο από άλλα, ανάλογα με παράγοντες όπως από τι αποτελείται, πόσο παχιά είναι και αν υπάρχουν σύννεφα ή όχι. (Παρατηρούμε αυτό το φαινόμενο στη δική μας ατμόσφαιρα καθώς το χρώμα και η ποιότητα του φωτός της ημέρας αλλάζει ανάλογα με το πόσο νεφελώδης ή υγρή είναι η ατμόσφαιρα ή την θέση του Ήλιου στον ουρανό.)

Επειδή διαφορετικά αέρια απορροφούν διαφορετικούς συνδυασμούς χρωμάτων του φάσματος, οι ερευνητές μπορούν να αναλύσουν μικρές διαφορές στη φωτεινότητα του εκπεμπόμενου φωτός σε διάφορα μήκη κύματος και ως εκ τούτου να προσδιορίσουν ακριβώς από τι αποτελείται μια ατμόσφαιρα.  Με τον συνδυασμό της διογκωμένης ατμόσφαιρας και των συχνών διελεύσεων, ο WASP-39 b είναι ένας ιδανικός στόχος για αυτήν την τεχνική, γνωστή ως φασματοσκοπία μετάδοσης. Η ομάδα χρησιμοποίησε τον φασματογράφο εγγύς υπερύθρου του Webb (NIRSpec) για να κάνει αυτήν την ανίχνευση.

Το φάσμα του εξωπλανήτη WASP-39 b

Στο προκύπτον φάσμα της ατμόσφαιρας του εξωπλανήτη, η καμπύλη μεταξύ 4,1 και 4,6 μικρών είναι κάθε άλλο παρά αμελητέα για τους ερευνητές εξωπλανητών. Είναι η πρώτη ξεκάθαρη, λεπτομερής, αδιαμφισβήτητη απόδειξη για διοξείδιο του άνθρακα που έχει εντοπιστεί ποτέ σε πλανήτη εκτός του Ηλιακού Συστήματος.

«Μόλις εμφανίστηκαν τα δεδομένα στην οθόνη μου, το έντονο χαρακτηριστικό του διοξειδίου του άνθρακα με αιχμαλώτισε», είπε ο Zafar Rustamkulov, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στις Ηνωμένες Πολιτείες και μέλος της ομάδας έρευνας εξωπλανητών. «Ήταν μια ιδιαίτερη στιγμή, ένα σημαντικό ορόσημο στην έρευνα των εξωπλανητών».

Ακόμη και χωρίς την ισχυρή ένδειξη του διοξειδίου του άνθρακα, αυτό το φάσμα θα ήταν μοναδικό. Κανένας δεν έχει μετρήσει ποτέ τόσο ανεπαίσθητες διαφορές στη φωτεινότητα τόσων πολλών μεμονωμένων χρωμάτων στο εύρος των 3 έως 5,5 μικρών σε ένα φάσμα μετάδοσης εξωπλανήτη. Η πρόσβαση σε αυτό το τμήμα του φάσματος είναι ζωτικής σημασίας για τη μέτρηση αερίων όπως το νερό, το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα, που πιστεύεται ότι υπάρχουν στις ατμόσφαιρες πολλών διαφορετικών τύπων εξωπλανητών.

«Η ανίχνευση ενός τέτοιου σαφούς σήματος διοξειδίου του άνθρακα στον WASP-39 b αποτελεί καλό οιωνό για την ανίχνευση ατμοσφαιρών σε μικρότερους, γήινους πλανήτες», δήλωσε η Natalie Batalha από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, η οποία ηγείται της ομάδας ερευνητών.

«Είναι εκπληκτικό να βλέπεις το όργανο NIRSpec να παράγει αυτά τα απίστευτα δεδομένα τόσο νωρίς στην αποστολή, όταν γνωρίζουμε ότι μπορούμε ακόμα να βελτιώσουμε την ποιότητα των δεδομένων καθώς προχωράμε», πρόσθεσε η Sarah Kendrew, επιστήμονας στο Ινστιτούτο Space Telescope Science.

Η κατανόηση της σύνθεσης της ατμόσφαιρας ενός πλανήτη είναι σημαντική γιατί μας λέει κάτι για την προέλευση και εξέλιξη του πλανήτη. «Τα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα είναι ευαίσθητοι ιχνηλάτες της ιστορίας του σχηματισμού πλανητών», δήλωσε το μέλος της ομάδας Mike Line από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. «Μετρώντας αυτό το χαρακτηριστικό του διοξειδίου του άνθρακα, μπορούμε να προσδιορίσουμε πόσο στερεό σε σχέση με το πόσο αέριο υλικό χρησιμοποιήθηκε για να σχηματιστεί αυτός ο γιγάντιος πλανήτης. Την επόμενη δεκαετία, το Webb θα κάνει αυτή τη μέτρηση για διάφορους πλανήτες, παρέχοντας πληροφορίες για τον τρόπο σχηματισμού των πλανητών και τη μοναδικότητα του Ηλιακού μας Συστήματος».

Τα αποτελέσματα βασίζονται επίσης στην υπάρχουσα έρευνα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. «Τις τελευταίες δεκαετίες το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble μελέτησε τα μυστήρια που κρύβουν αυτές οι ατμόσφαιρες, από σύννεφα που αποκρύπτουν μοριακά χαρακτηριστικά, έως απορροφήσεις υδρατμών και ατμόσφαιρες διαφυγής», δήλωσε το μέλος της ομάδας Hannah Wakeford του Πανεπιστημίου του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο. «Το Webb θα συμπληρώσει και θα επεκτείνει αυτές τις μελέτες με υψηλότερη ανάλυση, μεγαλύτερη κάλυψη μήκους κύματος και ακρίβεια, για να αποκαλύψει τις βασικές τάσεις στα δεδομένα που αφορούν στον σχηματισμό και την εξέλιξη αυτών των πλανητών».

Η παρατήρηση του NIRSpec είναι ένα μέρος μιας ευρύτερης έρευνας που περιλαμβάνει παρατηρήσεις του πλανήτη χρησιμοποιώντας μια πληθώρα  οργάνων, καθώς και παρατηρήσεις δύο άλλων εξωπλανητών. Η έρευνα, η οποία αποτελεί μέρος του προγράμματος Early Release Science, σχεδιάστηκε για να παρέχει στην ερευνητική κοινότητα ποιοτικά δεδομένα το συντομότερο δυνατό.

«Το να βλέπουμε τα δεδομένα για πρώτη φορά ήταν σαν να διαβάζουμε ένα ποίημα στο σύνολό του, όταν πριν βλέπαμε μόνο κάθε τρίτη λέξη», πρόσθεσε το μέλος της ομάδας Laura Kreidberg του Ινστιτούτου Αστρονομίας Max Planck. «Αυτά τα πρώτα αποτελέσματα είναι μόνο η αρχή. Τα δεδομένα του προγράμματος Early Release έχουν δείξει ότι το Webb λειτουργεί άψογα και ότι μικρότεροι και ψυχρότεροι εξωπλανήτες (περισσότερο σαν τη δική μας Γη) είναι στην εμβέλειά του».

«Ο στόχος είναι να αναλυθούν γρήγορα οι παρατηρήσεις του προγράμματος Early Release Science και να αναπτυχθούν εργαλεία ανοιχτού κώδικα για χρήση από την επιστημονική κοινότητα», εξήγησε η Vivien Parmentier από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Αυτό επιτρέπει συνεισφορές από όλο τον κόσμο και διασφαλίζει ότι τα καλύτερα δυνατά επιστημονικά αποτελέσματα θα παραχθούν στις επόμενες δεκαετίες παρατηρήσεων».

ESA

ESA

STScI

NASA

Η προδημοσίευση στο Arxiv