Телескоп Уэбба однозначно обнаружил углекислый газ в атмосфере экзопланеты

Открытие, принятое к публикации в журнале Nature, демонстрирует способность космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) проводить беспрецедентные наблюдения атмосфер экзопланет.

Натали Баталья, профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз, возглавляет группу астрономов, которые сделали обнаружение, используя JWST для наблюдения за планетой под названием WASP-39b с массой Сатурна, которая вращается очень близко к солнцеподобной звезде, около 700 световых лет от Земли.

«Предыдущие наблюдения этой планеты с помощью Хаббла и Спитцера дали дразнящие намеки на присутствие углекислого газа», — сказал Баталья. «Данные JWST показали явную особенность углекислого газа, которая была очень заметной».

Углекислый газ — важный компонент атмосфер планет Солнечной системе, обнаруженный не только на скалистых Марсе и Венере, но и на газовых гигантах Юпитере и Сатурне. Для исследователей экзопланет это важно, ведь обнаруженный на малых каменистых планетах газ станет показателем общего содержания тяжелых элементов в атмосферах планет-гигантов.

«Углекислый газ на самом деле является очень чувствительным мерным стержнем (лучшим из тех, что у нас есть) для тяжелых элементов в атмосферах гигантских планет, поэтому тот факт, что мы можем видеть его так ясно, это действительно здорово», — сказал Джонатан Фортни, профессор астрономии и астрофизики в UCSC и директор Лаборатории Других Миров.

По словам Фортни, звезды и газовые планеты-гиганты состоят в основном из самых легких элементов, водорода и гелия, но обилие более тяжелых элементов (то, что астрономы называют «металличностью») становится решающим фактором в формировании планет.

«Возможность определить количество тяжелых элементов на планете имеет решающее значение для понимания её формирования, и мы сможем использовать эту линейку для измерения углекислого газа целой группы экзопланет, чтобы получить всестороннее представление о составе гигантских планет," он сказал.

Ученые наблюдала за WASP-39b в рамках программы JWST Early Release Science для изучения транзитных экзопланет. Транзитная планета проходит перед своей звездой, если смотреть с Земли, что позволяет астрономам анализировать звездный свет, проходящий через атмосферу планеты, где газы, такие как углекислый газ, поглощают определенные длины волн света.

Используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) на JWST, команда получила «спектр передачи» с высоким разрешением, показывающий свет, прошедший через атмосферу WASP-39b, разделенный на составляющие его длины волн. Баталья сказал, что данные дали прекрасные кривые блеска и показали, что прибор NIRSpec превосходит ожидания для спектроскопии пропускания. Это служит хорошим предзнаменованием для наблюдения за небольшими каменистыми планетами, которые, как ожидается, будут содержать углекислый газ в атмосферах (когда у них есть атмосферы), но не будут давать настолько сильный сигнал, как планета-гигант, как WASP-39b.

«Это обнаружение послужит полезным эталоном того, что мы можем сделать для обнаружения углекислого газа на планетах земной группы в будущем», — сказал Баталья. «Это наиболее вероятный атмосферный газ, который мы обнаружим с помощью JWST в атмосферах экзопланет земного размера».

Помимо углекислого газа исследователи обнаружили еще одну интересную особенность в спектре WASP-39b, которую они еще не идентифицировали. «Пока это загадочная функция», — сказал Баталья. «В этой статье мы сосредоточились на узком диапазоне инфракрасных цветов — это только предварительный просмотр функций, которые мы ожидаем увидеть в полном спектре».

Фортни отметил, что WASP-39b по составу похож на Сатурн. Металличность Сатурна в 10 раз больше, чем у Солнца, и WASP-39b также обогащен тяжелыми элементами примерно в 10 раз по сравнению с Солнцем.

«Это очень интересно, и мы хотели бы знать, все ли планеты с массой Сатурна имеют одинаковую металличность», — сказал он. «Было интересно увидеть это в другой системе, потому что мы не знали, чего ожидать, когда перейдем от планет нашей Солнечной системы к атмосферам экзопланет».

Расположенная в созвездии Девы, WASP-39b более чем в 20 раз ближе к звезде, чем Земля к Солнцу. Хотя её масса примерно такая же, как у Сатурна, она менее плотная и примерно на 50 % больше, вероятно, из-за нагрева от близкого расположения к родительской звезде. Предыдущие наблюдения показали, что у неё относительно чистое небо, что делает её хорошей целью для спектроскопии пропускания.