Космический телескоп Джеймса Уэбба раскрывает химические секреты далекого мира, открывая путь для изучения планет

Космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА (JWST) — самый большой телескоп в космосе. Запущенный на Рождество 2021 года, он стал идеальным инструментом для исследования миров. Теперь ученые впервые использовали телескоп, чтобы раскрыть химический состав экзопланеты. И данные, выпущенные в виде препринта (еще не опубликованы в рецензируемом журнале), предлагают некоторые неожиданные результаты.

Многие экзопланеты находятся слишком близко к своим родительским звездам, чтобы даже этот мощный телескоп мог их различить. Но мы можем использовать трюк, наблюдая, как планета проходит перед своей звездой. Во время транзита планета блокирует небольшую часть звездного света, и еще меньшая часть звездного света фильтруется через внешние слои атмосферы планеты.

Газы в атмосфере поглощают часть света, оставляя отпечатки на звездном свете в виде уменьшения яркости определенных цветов или длин волн. JWST особенно подходит для изучения атмосферы экзопланет, потому что это инфракрасный телескоп. Большинство газов, находящихся в атмосфере, таких как водяной пар и углекислый газ, поглощают инфракрасный, а не видимый свет.

Международная группа исследователей экзопланет использовали JSTW для изучения планеты размером примерно с Юпитер под названием WASP-39b. В отличие от Юпитера, этому миру требуется всего несколько дней, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды, поэтому его температура превышает 827°C. Это дает прекрасную возможность изучить, как планетарная атмосфера ведет себя в экстремальных температурных условиях.

Ученые использовали JWST, чтобы восстановить наиболее полный спектр этой планеты. По сути, эта работа представляет собой первую химическую инвентаризацию атмосферы планеты.

Известно, что большая часть атмосферы такой большой планеты должна состоять из смеси водорода и гелия — самых легких и самых распространенных газов во Вселенной. А телескоп Хаббл ранее обнаруживал там водяной пар, натрий и калий.

Ученые смогли подтвердить обнаружение и произвести измерение количества водяного пара. Данные также предполагают наличие других газов, включая двуокись углерода, угарный газ и неожиданно двуокись серы.

Имея измерения того, сколько каждого из этих газов присутствует в атмосфере, можно оценить относительное количество элементов, из которых состоят газы, — водорода, кислорода, углерода и серы. Планеты формируются в диске из пыли и газа вокруг молодой звезды, и ожидается, что разные количества этих элементов будут доступны молодой планете на разных расстояниях от звезды.

У WASP-39b относительно низкое количество углерода по сравнению с кислородом, что указывает на то, что он сформировался на большем расстоянии от звезды, где мог легко поглощать водяной лед с диска (увеличивая содержание кислорода), по сравнению с его нынешним состоянием на очень близкой орбита. Если планета мигрировала, это могло бы помочь в развитии теорий о формировании планет и поддержало бы идею, что планеты-гиганты в Солнечной системе на ранних этапах тоже изрядно двигались.

Сернистый ключ

Количество серы, которое было обнаружено по отношению к кислороду, довольно велико для WASP-39b. Ученые ожидают, что сера в молодой планетной системе будет больше сконцентрирована в кусках камня и щебня, чем в виде атмосферного газа. Таким образом, это указывает на то, что WASP-39b мог подвергнуться необычному количеству столкновений с серосодержащими кусками породы. Часть этой серы будет выпущена в виде газа.

В атмосфере планеты разные химические вещества реагируют друг с другом с разной скоростью в зависимости от того, насколько она горячая. Обычно они приходят в равновесное состояние, при этом общее количество каждого газа остается стабильным, поскольку реакции уравновешивают друг друга. Ученым удалось предсказать, какие газы будут в атмосфере WASP-39b для ряда начальных точек. Но никто из них не думал о двуокиси серы, вместо этого ожидая, что вся сера будет заперта в другом газе - сероводороде.

Недостающим элементом химической мозаики был процесс фотохимии, когда скорость определенных химических реакций определяется энергией фотонов — частиц света, исходящих от звезды, а не температурой атмосферы. Поскольку WASP-39b очень горячая, а реакции обычно ускоряются при более высоких температурах, не ожидалось, что фотохимия будет настолько важна, как оказалось.

Данные свидетельствуют о том, что водяной пар в атмосфере расщепляется светом на кислород и водород. Затем эти продукты будут реагировать с газообразным сероводородом, в конечном итоге удаляя водород и заменяя его кислородом с образованием диоксида серы.

Что дальше для JWST?

Фотохимия еще более важна на более холодных планетах, которые могут быть обитаемыми — озоновый слой на нашей планете формируется в результате фотохимического процесса. JWST будет наблюдать за скалистыми мирами в системе Trappist-1 в течение первого года. Некоторые из измерений уже были сделаны — и у всех этих планет температура более близкая к земной.

На некоторых из них может даже быть подходящая температура для жидкой воды на поверхности и, возможно, жизни. Понимание того, как фотохимия влияет на состав атмосферы, будет иметь решающее значение для интерпретации наблюдений телескопа Уэбба системы Trappist-1. Это особенно важно, поскольку явный химический дисбаланс в атмосфере может намекать на присутствие жизни, поэтому нужно знать о других возможных объяснениях этого.