Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба зафиксировал отчетливые следы воды, а также свидетельства существования облаков и дымки в атмосфере, окружающей горячую газовую планету-гигант, вращающуюся вокруг далекой звезды, похожей на Солнце. Наблюдение, которое показывает присутствие определенных молекул газа на основе крошечного уменьшения яркости точных цветов света, является наиболее подробным на сегодняшний день, демонстрируя беспрецедентную способность Уэбба анализировать атмосферы на расстоянии сотен световых лет. В то время как космический телескоп Хаббл проанализировал многочисленные атмосферы экзопланет за последние два десятилетия, зафиксировав первое четкое обнаружение воды в 2013 году, непосредственное и более подробное наблюдение Уэбба знаменует собой гигантский шаг вперед в стремлении охарактеризовать потенциально обитаемые планеты за пределами Земли.
WASP-96 b — одна из более чем 5000 подтвержденных экзопланет в Млечном Пути. Расположенный примерно в 1150 световых годах от нас в южном созвездии Феникса, он представляет собой тип газового гиганта, не имеющего прямого аналога в нашей Солнечной системе. Обладая массой менее половины массы Юпитера и диаметром в 1,2 раза больше, WASP-96 b намного пухлее, чем любая планета, вращающаяся вокруг нашего Солнца. А при температуре выше 1000°F она значительно горячее. WASP-96 b вращается очень близко к своей солнцеподобной звезде, всего в одной девятой части расстояния между Меркурием и Солнцем, совершая один оборот каждые 3.5 земных дня. Сочетание большого размера, короткого орбитального периода, пухлой атмосферы и отсутствия загрязняющего света от объектов, расположенных поблизости в небе, делает WASP-96 b идеальной целью для наблюдений за атмосферой.
21 июня прибор Уэбба для формирования изображений в ближнем инфракрасном диапазоне и безщелевого спектрографа (NIRISS) измерял свет от системы WASP-96 в течение 6,4 часов, пока планета перемещалась по звезде. В результате получается кривая блеска, показывающая общее затемнение звездного света во время прохождения, и спектр пропускания, показывающий изменение яркости отдельных длин волн инфракрасного света в диапазоне от 0,6 до 2,8 микрон. В то время как кривая блеска подтверждает свойства планеты, которые уже были определены из других наблюдений — существование, размер и орбита планеты — спектр пропускания раскрывает ранее скрытые детали атмосферы: недвусмысленные признаки воды, признаки дымки, и свидетельства существования облаков, которые, как считалось, не существуют на основании предыдущих наблюдений.
Спектр передачи создается путем сравнения звездного света, отфильтрованного через атмосферу планеты, когда он движется через звезду, с нефильтрованным звездным светом, обнаруженным, когда планета находится рядом со звездой. Исследователи могут обнаруживать и измерять содержание основных газов в атмосфере планеты на основе картины поглощения — расположения и высоты пиков на графике. Точно так же, как у людей есть отличительные отпечатки пальцев и последовательности ДНК, атомы и молекулы имеют характерные образцы длин волн, которые они поглощают.
Спектр WASP-96 b, захваченный NIRISS, является не только наиболее подробным спектром пропускания атмосферы экзопланеты в ближнем инфракрасном диапазоне, захваченным на сегодняшний день, но также охватывает удивительно широкий диапазон длин волн, включая видимый красный свет и часть спектра. ранее недоступный для других телескопов (длины волн более 1,6 мкм). Эта часть спектра особенно чувствительна к воде, а также к другим ключевым молекулам, таким как кислород, метан и углекислый газ, которые не сразу видны в спектре WASP-96 b, но должны быть обнаружены на других экзопланетах, которые планируется наблюдать Уэббом.
Исследователи смогут использовать спектр для измерения количества водяного пара в атмосфере, ограничения содержания различных элементов, таких как углерод и кислород, и оценки температуры атмосферы с глубиной. Затем они могут использовать эту информацию, чтобы делать выводы об общем составе планеты, а также о том, как, когда и где она сформировалась. Синяя линия на графике — это наиболее подходящая модель, которая учитывает данные, известные свойства WASP-96 b и ее звезды (например, размер, массу, температуру) и предполагаемые характеристики атмосферы.
Исключительная детализация и четкость этих измерений возможны благодаря современному дизайну Webb. Его позолоченное зеркало площадью 270 квадратных футов эффективно собирает инфракрасный свет. Его точные спектрографы рассеивают свет в виде радуги тысяч инфракрасных цветов. А его чувствительные инфракрасные датчики измеряют очень тонкие различия в яркости. NIRISS способен обнаруживать цветовые различия всего в одну тысячную микрона (разница между зеленым и желтым составляет около 50 микрон) и различия в яркости между этими цветами в несколько сотен частей на миллион.
Кроме того, исключительная стабильность Уэбба и его орбитальное расположение вокруг точки Лагранжа 2, примерно в миллионе миль от загрязняющего воздействия земной атмосферы, обеспечивают непрерывный обзор и точные данные, которые можно анализировать относительно быстро. Чрезвычайно подробный спектр, полученный путем одновременного анализа 280 отдельных спектров, полученных во время наблюдения, дает лишь намек на то, что Уэбб приготовил для исследования экзопланет. В течение следующего года исследователи будут использовать спектроскопию для анализа поверхностей и атмосфер нескольких десятков экзопланет, от небольших каменистых планет до гигантов, богатых газом и льдом. Почти четверть времени наблюдений цикла Уэбба 1 посвящена изучению экзопланет и материалов, из которых они состоят. Это наблюдение NIRISS демонстрирует, что Уэбб может детально охарактеризовать атмосферы экзопланет, в том числе потенциально пригодных для жизни планет.
