De James Webb Space Telescope onthult de chemische geheimen van de verre wereld – maakt de weg vrij voor de studie van aardachtige planeten

Sinds de ontdekking van de eerste planeet in een baan rond een andere ster dan de zon in 1995, weten we dat planeten en planetaire systemen diverser zijn dan we ooit hadden gedacht. Deze verre werelden – exoplaneten – geven ons de mogelijkheid om te bestuderen hoe planeten zich in verschillende situaties gedragen. En hun sfeer leren kennen is een belangrijk stukje van de puzzel.

NASA-bureau James Webb-ruimtetelescoop (JWST) is de grootste telescoop in de ruimte. Gelanceerd op eerste kerstdag 2021, het is een ideaal hulpmiddel om deze rijken te verkennen. Nu hebben mijn collega’s en ik de telescoop voor het eerst gebruikt om de chemische samenstelling van een exoplaneet te onthullen. En de gegevensEn de uitgegeven bij prepress uiterlijk (wat betekent dat het nog niet is gepubliceerd in een collegiaal getoetst tijdschrift), Het biedt een aantal verrassende resultaten.

Veel exoplaneten staan ​​zo dicht bij hun moederster dat zelfs deze krachtige telescoop ze kan identificeren. Maar we kunnen de truc gebruiken om te kijken hoe de planeet voor (passeert) zijn ster passeert. Tijdens de transit blokkeert de planeet een klein deel van zijn sterlicht, en een nog kleiner deel van het sterlicht wordt door de buitenste lagen van de atmosfeer van de planeet gefilterd.

Gassen in de atmosfeer absorberen een deel van het licht en laten vingerafdrukken achter op sterlicht in de vorm van helderheidsdalingen bij bepaalde kleuren of golflengten. De JWST-telescoop is bijzonder geschikt voor onderzoek naar de atmosfeer van exoplaneten omdat het een infraroodtelescoop is. De meeste gassen in de atmosfeer – zoals waterdamp en KooldioxideHet absorbeert infraroodstralen in plaats van zichtbaar licht.

Ik maak deel uit van een internationaal team van exoplaneetwetenschappers die de JSTW hebben gebruikt om een ​​planeet te bestuderen die ongeveer zo groot is als Jupiter, genaamd WASP-39b. In tegenstelling tot Jupiter heeft deze wereld maar een paar dagen nodig om rond zijn ster te draaien, dus hij is gaar – de temperatuur bereikt 827 graden Celsius. Dit geeft ons de perfecte gelegenheid om te onderzoeken hoe de atmosfeer van de planeet zich gedraagt ​​onder extreme temperatuuromstandigheden.

We hebben JWST gebruikt om het meest complete spectrum tot nu toe van deze fascinerende planeet te herstellen. In feite vertegenwoordigt ons werk de eerste chemische inventarisatie van de atmosfeer van de planeet.

We wisten al dat het grootste deel van de atmosfeer van deze grote planeet een mengsel moet zijn van waterstof en helium – de lichtste en meest voorkomende gassen in het universum. De Hubble-telescoop heeft daar eerder waterdamp, natrium en kalium gedetecteerd.

Nu hebben we onze ontdekking kunnen bevestigen en een maat voor de hoeveelheid waterdamp kunnen produceren. De gegevens duiden ook op de aanwezigheid van andere gassen, waaronder KooldioxideEn de Koolmonoxideen, onverwacht, zwaveldioxide.

Met metingen van hoeveel van elk van deze gassen zich in de atmosfeer bevindt, kunnen we de relatieve hoeveelheden van de elementen waaruit de gassen bestaan ​​- waterstof, zuurstof, koolstof en zwavel – schatten. Planeten vormen zich in een schijf van stof en gas rond een jonge ster, en we zouden verwachten dat verschillende hoeveelheden van deze elementen beschikbaar zijn voor een jonge planeet op verschillende afstanden van de ster.

WASP-39b lijkt een relatief lage hoeveelheid koolstof te hebben in verhouding tot zuurstof, wat aangeeft dat het waarschijnlijk is gevormd op een grotere afstand van de ster, waar het gemakkelijker waterijs uit de schijf had kunnen zuigen (waardoor de zuurstof werd gestimuleerd), dan in zijn veel dichtere stroom baan. Als deze planeet zou migreren, zou dit ons kunnen helpen onze theorieën over planeetvorming te ontwikkelen, en zou het het idee ondersteunen dat de gigantische planeten in ons zonnestelsel ook al vroeg behoorlijk wat beweging en schommeling deden.

zwavel sleutel

De hoeveelheid zwavel die we hebben gedetecteerd ten opzichte van zuurstof is erg hoog voor WASP-39b. We verwachten dat zwavel in het jonge planetaire systeem meer geconcentreerd zal zijn in rotsfragmenten en aggregaten dan als een gas in de atmosfeer. Dit geeft dus aan dat WASP-39b mogelijk een ongewoon aantal botsingen heeft gehad met stukken zwavelhoudend gesteente. Een deel van deze zwavel zal als gas vrijkomen.

In de atmosfeer van een planeet reageren verschillende chemicaliën met verschillende snelheden, afhankelijk van de temperatuur. Meestal nestelen deze zich in een bestand evenwichtstoestand, waarbij de totale hoeveelheden van elk gas stabiel blijven terwijl de reacties elkaar in evenwicht houden. We waren in staat om de gassen die we in de atmosfeer van WASP-39b zien te voorspellen voor een aantal uitgangspunten. Maar geen van hen kwam met zwaveldioxide en verwachtte in plaats daarvan zwavel dat vastzat in een ander gas, waterstofsulfide.

Het ontbrekende stukje van de chemische puzzel was een proces genaamd fotochemie. Dit gebeurt wanneer de snelheden van bepaalde chemische reacties worden aangedreven door de energie van de fotonen – lichtpakketten – die van de ster komen, in plaats van door de temperatuur van de atmosfeer. Omdat WASP-39b zo heet is en reacties over het algemeen versnellen bij hogere temperaturen, hadden we niet verwacht dat fotochemie zo belangrijk zou zijn als later werd.

De data laten zien dat waterdamp in de atmosfeer door licht wordt gesplitst in zuurstof en waterstof. Deze producten zullen dan reageren met het waterstofsulfidegas, waarbij uiteindelijk de waterstof wordt verwijderd en vervangen door zuurstof om zwaveldioxide te vormen.

Wat biedt de toekomst voor JWST?

Fotochemie is zelfs nog belangrijker op koelere planeten die mogelijk bewoonbaar zijn – de ozonlaag van onze planeet wordt gevormd door een fotochemisch proces. JWST zal de rotsachtige werelden in het Trappist-1-systeem gedurende het eerste werkingsjaar monitoren. Sommige van deze metingen zijn al uitgevoerd – en allemaal planeten Het heeft temperaturen die dichter bij de temperatuur van de aarde liggen.

Sommige hebben misschien de juiste temperatuur om vloeibaar water aan de oppervlakte te laten bestaan, en mogelijk leven. Een goed begrip hebben van hoe fotochemie de samenstelling van de atmosfeer beïnvloedt, zal van cruciaal belang zijn voor het interpreteren van Webb’s observaties van het Trappist-1-systeem. Dit is vooral belangrijk gezien de overduidelijke chemische onevenwichtigheid in atmosferen Het kan wijzen op de aanwezigheid van leven, dus we moeten ons bewust zijn van andere mogelijke verklaringen daarvoor.

De chemische voorraad WASP-39b liet zien hoe krachtig de JWST-tool kan zijn. We staan ​​aan het begin van een zeer opwindend tijdperk in de wetenschap van exoplaneten, dus houd ons in de gaten.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf Gesprek Onder Creative Commons-licentie. Lees de Het originele artikel.