В августе НАСА и ЕКА объявили, что космическому аппарату «Джеймс Уэбб» впервые удалось найти окончательные доказательства присутствия углекислого газа в атмосфере экзопланеты. Это был WASP-39b, газовый гигант, вращающийся вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии 700 световых лет от нас.
После полного анализа данных, собранных «Уэббом», исследователям удалось получить большое количество информации об атмосфере этой экзопланеты. Детальные инфракрасные спектры, полученные с помощью трех из четырех инструментов телескопа, содержат информацию о химии атмосферы беспрецедентной точности. Это позволило сделать выводы об облачном покрове планеты и включает первые признаки фотохимии в атмосферах экзопланет.
Данные о химическом составе настолько точны, что представляют собой настоящий, почти полный химический справочник. Это позволило исследователям сделать выводы о формировании планеты. Результаты были опубликованы в пяти различных статьях в журнале Nature; они также свидетельствуют о разработке новых методов, которые должны позволить астрономам обнаружить жизнь на далеких планетах, хотя это будет работа для одного из преемников «Джеймса Уэбба».
Плотная, облачная атмосфера
Наблюдения WASP-39b, лежащие в основе этих исследований, являются частью научной программы «Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program». Решающее значение имели так называемые транзиты экзопланет: транзит происходит, когда, с точки зрения наблюдателей на Земле, планета, вращающаяся вокруг далекой звезды, проходит между этой звездой и нами. Затем можно наблюдать изменения в яркости самой звезды.
Астрономы использовали JWST для наблюдения четырех различных транзитов с середины до конца июля 2022 года, используя три из четырех научных инструментов космического телескопа. NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) и NIRISS (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона и безщелевой спектрограф) запечатлели по одному транзиту, а два других транзита наблюдались с помощью двух различных режимов работы NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона).
По изменениям яркости во время транзита исследователи обнаружили, что WASP-39b имеет относительно плотную атмосферу. Для нее будет характерен фрагментарный набор облаков, состоящих не только из воды, но и из таких веществ, как сульфиды и силикаты. Облака и их составляющие распределены неравномерно, а не единым однородным покрывалом, покрывающим поверхность планеты. Среди множества присутствующих молекул, первоначально загадочная спектральная особенность оказалась диоксидом серы — первое подобное обнаружение в атмосфере экзопланеты.
Что «Уэбб» может рассказать нам об экзопланетах
И это еще не все. Часть информации, содержащейся в спектрах, позволила сделать выводы об истории формирования планеты. Соотношения углерода к кислороду, калия, серы и водорода указывают на историю формирования, в которой меньшие тела-предшественники («планетезимали») сталкивались друг с другом и сливались, чтобы создать нынешнюю, довольно большую планету.
В частности, соотношение углерода и кислорода, когда кислорода гораздо больше, чем углерода, говорит о том, что WASP-39b изначально сформировался гораздо дальше от своей звезды, чем ее нынешняя, более узкая орбита.
Этот тип исследований будет иметь решающее значение для успеха одного из самых амбициозных начинаний астрономического сообщества: обнаружения возможных следов жизни на экзопланетах. Для этого необходимы детальные наблюдения с помощью различных космических телескопов, которые затем будут использованы для получения данных об атмосфере экзопланеты. Сравнение с атмосферными моделями в конечном итоге покажет, что определенная комбинация свойств, например, избыток атмосферного кислорода, может быть индикатором возможного присутствия конкретных типов живых организмов (настоящих или прошлых) на этой планете.