№ 4

Декабрь/2022

Russian Traveler 04/2022

«Уэбб» провел самый подробный анализ атмосферы экзопланеты

Фото: NASA

WASP-39 b в представлении художника

Впервые в атмосфере газового гиганта идентифицирован диоксид серы.

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) только что предоставил самый подробный анализ атмосферы экзопланеты WASP-39 b. Исследователи смогли идентифицировать в ней диоксид серы, что можно объяснить только с помощью фотохимии (реакций, запускаемых звездным светом).

Экзопланета WASP-39 b также известна как Бокапринс (так называется живописный пляж на Арубе). Планета идентифицирована учеными как горячий газовый гигант. Такие экзопланеты называют «горячими сатурнами». 

WASP-39 b – это планета, не похожая ни на одну другую в нашей Солнечной системе. Газовый гигант вращается вокруг своей звезды ближе, чем Меркурий к нашему Солнцу. Эта экзопланета была одной из первых, исследованных продвинутым космическим телескопом Джеймса Уэбба, когда он начал регулярные научные наблюдения. Исключительно чувствительные инструменты «Уэбба» предоставили профиль атмосферных компонентов WASP-39 b и определили множество из них, включая воду, диоксид серы, окись углерода, натрий и калий.

В то время как «Уэбб» и другие космические телескопы, в том числе «Хаббл» и «Спитцер», ранее уже обнаруживали отдельные составляющие атмосферы этой бурлящей планеты, новые показания «Уэбба» предоставляют полную картину вплоть до атомов, молекул и даже признаков активной химии и облаков.

Также телескоп позволил нам понять, как облака экзопланеты могут выглядеть вблизи. По словам ученых они разорваны, а не являются единым однородным покрывалом над планетой.

Фото: NASA
Диаграммы, изображающие данные, собранные четырьмя инструментами Джеймса Уэбба, для анализа состава атмосферы WASP-39

Полученные данные служат хорошим примером способности инструментов «Уэбба» проводить широкий спектр исследований всех типов экзопланет, в том числе небольших скалистых планет, подобных тем, что находятся в системе TRAPPIST-1.

«Мы наблюдали экзопланету с помощью нескольких инструментов, которые вместе обеспечивают широкий диапазон инфракрасного спектра и множество химических отпечатков, недоступных до этой миссии. Подобные данные меняют правила игры», – Натали Баталья, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.

Среди беспрецедентных открытий – первое обнаружение в атмосфере экзопланеты диоксида серы (SO₂) – молекулы, образующейся в результате химических реакций, вызванных высокоэнергетическим светом от родительской звезды планеты.

На Земле аналогичным образом создается защитный озоновый слой в верхних слоях атмосферы.

Фото: NASA
Химические реакции, вызванные звездным светом. На инфографике показана поверхность красноватой экзопланеты под ее звездой. Свет звезды запускает химическую реакцию, изображенную на рисунке – молекулы взаимодействуют и образуют новые соединения, что в конечном итоге приводит к образованию диоксида серы.

Это открытие привело к еще одному новшеству: ученые применяли компьютерные модели фотохимии к данным, которые требуют полного объяснения такой физики. Полученные в результате улучшения в моделировании помогут создать технологические ноу-хау для интерпретации потенциальных признаков обитаемости в будущем.

Близость планеты к своей родительской звезде (в восемь раз ближе, чем Меркурий к нашему Солнцу) также делает ее лабораторией для изучения воздействия излучения родительских звезд на экзопланеты. Лучшее понимание связи между звездой и планетой должно привести к более глубокому пониманию того, как эти процессы влияют на все разнообразие планет, наблюдаемых в Галактике.

Чтобы увидеть свет от WASP-39 b, «Уэбб» проследил за планетой, когда она проходила перед своей звездой, и свет от звезды фильтровался через атмосферу планеты. Различные типы химических веществ в атмосфере поглощают разные цвета спектра звездного света, поэтому недостающие цвета говорят астрономам, какие молекулы здесь присутствуют. Рассматривая Вселенную в инфракрасном свете, «Уэбб» может обнаружить химические «отпечатки пальцев» – следы реакций, которые нельзя обнаружить в видимом свете.

Другие компоненты атмосферы, обнаруженные «Уэббом», включают натрий (Na), калий (K) и водяной пар (H₂O), что подтверждает предыдущие наблюдения других телескопов, космического и наземного.

«Уэбб» также увидел углекислый газ (CO₂) с более высоким разрешением, предоставив в два раза больше данных, чем сообщалось в его предыдущих наблюдениях. При этом был обнаружен моноксид углерода (CO), но в данных телескопа отсутствовали очевидные признаки как метана (CH₄), так и сероводорода (H₂S). Если они и присутствуют, эти молекулы встречаются на очень низких уровнях.

Чтобы запечатлеть этот широкий спектр атмосферы WASP-39 b, международная группа ученых, насчитывающая сотни человек, независимо проанализировала данные четырех точно откалиброванных инструментов «Уэбба».

«Не буду врать, когда я впервые увидела эти данные, я заплакала. Мы предсказывали, что "Уэбб" сможет нам показать нечто подобное, но это оказалось точнее, разнообразнее и красивее, чем я думала», – Ханна Уэйкфорд, астрофизик из Бристольского университета.

Полный список химических «ингредиентов» в атмосфере экзопланеты также дает ученым представление об изобилии различных элементов по отношению друг к другу, таких как соотношение углерода к кислороду или калия к кислороду. Это, в свою очередь, позволяет представить, как эта планета – и, возможно, другие — сформировались из протопланетного диска газа и пыли, окружавшего родительскую звезду в ее младенческие годы.

Конечная цель атмосферного анализа «Уэбба» – найти прямые признаки жизни. Он не планировал искать их в атмосфере WASP-39 b, поскольку это газовый гигант, и никакой жизни там по определению быть не может. Но на скалистых экзопланетах, подобных тем, что находятся в системе TRAPPIST-1, следы таких молекул, как метан, могут являться«» признаком инопланетной жизни.