Астрономы обнаружили первый четкий сигнал о наличии диоксида углерода в атмосфере экзопланеты

Сегодня было объявлено о первых - и захватывающих - научных результатах космического телескопа Джеймса Вебба (JWST): первое однозначное обнаружение углекислого газа в атмосфере экзопланеты. Это первое подробное доказательство наличия углекислого газа в атмосфере планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Планета получила название WASP-39b и представляет собой горячий газовый гигант с массой примерно как у Сатурна, находящийся на очень близкой орбите звезды, похожей на Солнце, на расстоянии 700 световых лет от нас.

Планета была обнаружена в 2011 году консорциумом WASP (Wide Angle Search for Planets) с помощью наземных телескопов, когда планета проходила перед звездой-хозяином.

Последующие наблюдения за экзопланетой с помощью космических телескопов "Хаббл" и "Спитцер" показали наличие в ее атмосфере значительного количества водяного пара, а также натрия и калия. Но теперь беспрецедентная инфракрасная чувствительность JWST подтвердила наличие углекислого газа на этой планете.

"Причина, по которой мы ранее не могли окончательно определить наличие CO2 в атмосфере WASP-39 b, заключалась в том, что у нас не было телескопа, способного получать спектры в нужном диапазоне длин волн", - говорит Элиза Кемптон, доцент астрономии в Университете Мэриленда, которая входила в исследовательскую группу, сделавшую это открытие.

"Это открытие показывает нам, что Вебб выполняет свое обещание стать преобразующим объектом для астрономических наблюдений".

"Это был также беспрецедентный эксперимент в области открытой науки, которым мы очень гордимся", - сказала Натали Баталья из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, возглавляющая группу.

"Более 300 ученых со всего мира участвуют в проекте", - сказала она в Твиттере.

Статья команды сейчас находится на сайте arXiv, но она также была принята к публикации в журнале Nature и должна появиться в сети на следующей неделе.

Углекислый газ естественным образом присутствует в атмосфере Земли как часть углеродного цикла, но также выбрасывается в атмосферу в возрастающих количествах в результате деятельности человека. Ученые считают, что обнаружение CO2 в атмосфере другого мира является важным шагом на пути к поиску химических биотракеров внеземной жизни.

Изучение атмосфер экзопланет было одной из самых ожидаемых областей исследований для JWST. Для наблюдений WASP-39 b исследовательская группа использовала спектрограф ближнего инфракрасного диапазона телескопа (NIRSpec).

В пресс-релизе Кемптон сообщил, что они получили раннюю версию спектра - еще до того, как кто-то обозначил его особенности - и присутствие углекислого газа сразу же стало очевидным.

"Форма спектра безошибочна для таких людей, как я, которые зарабатывают на жизнь моделированием атмосфер экзопланет", - сказала она.

Это очень отличается от всех предыдущих наблюдений атмосфер экзопланет, где мы обычно проходили через гораздо более сложный процесс сравнения множества различных возможных моделей атмосферы с данными, чтобы убедить себя в том, что мы обнаружили конкретный атом или молекулу". В наблюдениях WASP-39 b, проведенных "Уэббом", CO2 просто сидит на виду и машет рукой: "Привет! Я здесь!"".

В спектре атмосферы экзопланеты виден небольшой "холм" между 4,1 и 4,6 микронами. Кемптон пояснил, что ни одна обсерватория ранее не измеряла столь тонкие различия в яркости стольких отдельных цветов в диапазоне от 3 до 5,5 микрон в спектре экзопланет.

"Доступ к этой части спектра имеет решающее значение для измерения обилия таких газов, как вода и метан, а также углекислого газа, которые, как считается, существуют на многих различных типах экзопланет", - говорится в заявлении для прессы.

10 июля 2022 года JWST наблюдал WASP-39 в течение восьми часов, измеряя ее яркость и ожидая затмения планетой WASP-39b. Это тот же метод транзита, который используется миссиями НАСА Kepler и TESS для поиска экзопланет, с одним ключевым отличием, пояснил Баталья в Twitter.

"Кеплер" и TESS наблюдают транзиты в "белом свете", тогда как JWST может наблюдать транзит в сотнях цветов одновременно. JWST может это сделать, потому что он оснащен спектрографами, которые превращают белый свет в инфракрасную радугу цвета", - сказала она.

"Обнаружение такого четкого сигнала углекислого газа на WASP-39 дает все основания для обнаружения атмосфер на небольших планетах земного размера".

Во время транзита часть света звезды полностью затмевается планетой, что приводит к потускнению света звезды. Но часть света проходит через атмосферу планеты.

Поскольку различные газы поглощают различные комбинации цветов, исследователи могут проанализировать небольшие различия в яркости передаваемого света в спектре длин волн и точно определить, из чего состоит атмосфера.

WASP-39 b вращается очень близко к своей звезде - всего лишь на расстоянии, равном одной восьмой расстояния между Солнцем и Меркурием, и проходит одну орбиту чуть более чем за четыре земных дня. Благодаря известной атмосфере и частым транзитам, команда знала, что WASP-39 b является идеальной ранней целью.

"Удивительно видеть, как прибор ЕКА NIRSpec производит такие невероятные данные на столь раннем этапе миссии, когда мы знаем, что можем еще улучшить качество данных", - сказала Сара Кендрю, научный сотрудник по приборам и калибровке прибора ЕКА Webb MIRI в Научном институте космического телескопа в Балтиморе.

Команда JWST отметила, что понимание состава атмосферы планеты очень важно, поскольку это говорит нам о происхождении планеты и о том, как она развивалась.

"Увидеть данные впервые - это как прочитать поэму целиком, тогда как раньше мы знали только каждое третье слово", - добавила член команды Лаура Крайдберг из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия.

Эти первые результаты - только начало; научные данные раннего выпуска показали, что "Уэбб" работает прекрасно, и более мелкие и холодные экзопланеты (больше похожие на нашу Землю) находятся в пределах его досягаемости".

Команда надеется, что этот ранний релиз позволит другим командам сотрудничать и делиться большим количеством данных, которые сейчас начинает получать JWST.

"Цель состоит в том, чтобы быстро проанализировать данные наблюдений раннего релиза и разработать инструменты с открытым исходным кодом для использования научным сообществом", - пояснила Вивьен Парментье из Оксфордского университета в Великобритании.

"Это позволит внести свой вклад со всего мира и гарантирует, что из предстоящих десятилетий наблюдений будет получена наилучшая научная информация".