Mảng thiết bị có độ nhạy cao của kính viễn vọng đã được đào tạo trên bầu khí quyển của WASP-39 b, một ‘Sao Thổ nóng’ (một hành tinh có khối lượng tương đương Sao Thổ nhưng có quỹ đạo hẹp hơn Sao Thủy) quay quanh một ngôi sao cách xa 700 năm ánh sáng. Hành tinh ngoại cỡ sao Thổ này là một trong những hành tinh khám lần đầu bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA/ESA/CSA khi nó bắt đầu hoạt động khoa học thông thường. Kết quả đã gây phấn khích cho cộng đồng khoa học ngoại hành tinh. Các thiết bị cực kỳ nhạy cảm của Webb đã cung cấp hồ sơ về các thành phần khí quyển của WASP-39 b và xác định rất nhiều thành phần, bao gồm nước, sulfur dioxide, carbon monoxide, natri và kali.
Những phát hiện này báo trước khả năng của các công cụ của Webb trong việc tiến hành một loạt các cuộc điều tra về các ngoại hành tinh – những hành tinh quay quanh các ngôi sao khác – được cộng đồng khoa học kỳ vọng. Điều đó bao gồm việc thăm dò bầu khí quyển của các hành tinh đá nhỏ hơn như những hành tinh trong hệ thống TRAPPIST-1.
Natalie Batalha, nhà thiên văn học tại Đại học California, Santa Cruz, người đã đóng góp và giúp phối hợp cho biết: “Chúng tôi đã quan sát ngoại hành tinh bằng một số thiết bị cùng nhau bao phủ một dải phổ hồng ngoại rộng và một loạt các dấu vết hóa học không thể tiếp cận được cho đến JWST. nghiên cứu mới. “Dữ liệu như thế này là yếu tố thay đổi cuộc chơi.”
WASP-39 b thành phần khí quyển (NIRSpec, NIRCam và NIRISS)
Bộ khám phá được trình bày chi tiết trong một bộ năm bài báo khoa học mới, ba trong số đó đã được đăng trên báo chí và hai trong số đó đang được xem xét. Trong số những khám phá chưa từng có là lần đầu tiên phát hiện ra lưu huỳnh đioxit trong bầu khí quyển ngoại hành tinh, một phân tử được tạo ra từ các phản ứng hóa học được kích hoạt bởi ánh sáng năng lượng cao từ ngôi sao mẹ của hành tinh. Trên Trái đất, tầng ozone bảo vệ ở thượng tầng khí quyển được tạo ra theo cách tương tự.
Shang-Min Tsai, một nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford ở Vương quốc Anh và là tác giả chính của bài báo giải thích: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy bằng chứng cụ thể về quang hóa – phản ứng hóa học được bắt đầu bởi ánh sáng năng lượng của sao – trên các ngoại hành tinh”. nguồn gốc của sulfur dioxide trong bầu khí quyển của WASP-39 b. “Tôi thấy đây là một triển vọng thực sự hứa hẹn để nâng cao hiểu biết của chúng ta về bầu khí quyển của các ngoại hành tinh với [this mission].”
Điều này dẫn đến một điều khác đầu tiên: các nhà khoa học áp dụng các mô hình quang hóa trên máy tính cho dữ liệu đòi hỏi vật lý như vậy phải được giải thích đầy đủ. Kết quả cải tiến trong mô hình hóa sẽ giúp xây dựng bí quyết công nghệ cần thiết để diễn giải các dấu hiệu tiềm năng về khả năng sinh sống trong tương lai.
WASP-39 b thành phần khí quyển (NIRSpec G395H)
Batalha cho biết: “Các hành tinh được điêu khắc và biến đổi bằng cách quay quanh trong bể bức xạ của ngôi sao chủ. “Trên Trái đất, những biến đổi đó cho phép sự sống phát triển.”
Khoảng cách của hành tinh này với ngôi sao chủ của nó – gần gấp 8 lần so với Sao Thủy so với Mặt trời của chúng ta – cũng khiến nó trở thành phòng thí nghiệm nghiên cứu tác động của bức xạ từ các ngôi sao chủ trên các ngoại hành tinh. Kiến thức tốt hơn về kết nối hành tinh-sao sẽ mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn về cách các quá trình này ảnh hưởng đến sự đa dạng của các hành tinh được quan sát trong thiên hà.
Các thành phần khí quyển khác được kính viễn vọng Webb phát hiện bao gồm natri (Na), kali (K) và hơi nước (H2O), xác nhận các quan sát bằng kính viễn vọng trên không gian và trên mặt đất trước đó cũng như tìm thêm dấu vết của nước, ở các bước sóng dài hơn này. mà chưa từng thấy trước đây.
Webb cũng nhìn thấy carbon dioxide (CO2) ở độ phân giải cao hơn, cung cấp gấp đôi dữ liệu so với báo cáo từ các quan sát trước đó. Trong khi đó, carbon monoxide (CO) đã được phát hiện, nhưng dấu hiệu rõ ràng của cả khí mê-tan (CH4) và hydro sunfua (H2S) không có trong dữ liệu Webb. Nếu có, những phân tử này xảy ra ở mức rất thấp.
Để nắm bắt được quang phổ rộng này của bầu khí quyển của WASP-39 b, một nhóm quốc tế gồm hàng trăm dữ liệu được phân tích độc lập từ bốn trong số các chế độ thiết bị được hiệu chỉnh chính xác của kính viễn vọng Webb.
Thành phần khí quyển WASP-39 b (NIRSpec PRISM)
“Chúng tôi đã dự đoán những gì [the telescope] Hannah Wakeford, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Bristol ở Vương quốc Anh, người điều tra bầu khí quyển của các ngoại hành tinh, cho biết.
Việc có một danh sách đầy đủ các thành phần hóa học như vậy trong bầu khí quyển ngoại hành tinh cũng giúp các nhà khoa học có cái nhìn thoáng qua về sự phong phú của các nguyên tố khác nhau trong mối quan hệ với nhau, chẳng hạn như tỷ lệ carbon-oxy hoặc kali-oxy. Điều đó lần lượt cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách hành tinh này – và có lẽ cả những hành tinh khác nữa – được hình thành từ đĩa khí và bụi bao quanh ngôi sao mẹ trong những năm còn trẻ của nó.
Kho hóa chất của WASP-39 b gợi ý một lịch sử về các vụ va chạm và hợp nhất của các vật thể nhỏ hơn được gọi là các vi thể hành tinh để tạo ra một hành tinh khổng lồ cuối cùng.
“Sự phong phú của lưu huỳnh [relative to] hydro chỉ ra rằng hành tinh có lẽ đã trải qua sự bồi tụ đáng kể của các hành tinh có thể mang lại [these ingredients] với bầu khí quyển,” Kazumasa Ohno, một nhà nghiên cứu ngoại hành tinh của UC Santa Cruz, người đã làm việc về dữ liệu của Webb, cho biết. “Dữ liệu cũng chỉ ra rằng oxy dồi dào hơn rất nhiều so với carbon trong khí quyển. Điều này có khả năng chỉ ra rằng WASP-39 b ban đầu được hình thành cách xa ngôi sao trung tâm.
Bằng cách tiết lộ chính xác các chi tiết của bầu khí quyển ngoại hành tinh, các thiết bị của kính viễn vọng Webb hoạt động tốt ngoài mong đợi của các nhà khoa học – và hứa hẹn một giai đoạn khám phá mới về nhiều loại ngoại hành tinh trong thiên hà.
Laura Flagg, một nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell và là thành viên của nhóm quốc tế cho biết: “Chúng ta sẽ có thể nhìn thấy bức tranh toàn cảnh về bầu khí quyển của các ngoại hành tinh. “Thật thú vị khi biết rằng mọi thứ sẽ được viết lại. Đó là một trong những phần hay nhất của việc trở thành một nhà khoa học.”
Thêm thông tin
Webb là chiếc kính viễn vọng lớn nhất, mạnh nhất từng được phóng vào vũ trụ. Theo thỏa thuận hợp tác quốc tế, ESA đã cung cấp dịch vụ phóng kính viễn vọng, sử dụng phương tiện phóng Ariane 5. Làm việc với các đối tác, ESA chịu trách nhiệm phát triển và đánh giá khả năng thích ứng của Ariane 5 cho sứ mệnh Webb và mua sắm dịch vụ phóng của Arianespace. ESA cũng cung cấp máy quang phổ NIRSpec và 50% thiết bị hồng ngoại tầm trung MIRI, được thiết kế và chế tạo bởi một tập đoàn gồm các Viện châu Âu được tài trợ quốc gia (Hiệp hội MIRI châu Âu) hợp tác với JPL và Đại học Arizona. Webb là sự hợp tác quốc tế giữa NASA, ESA và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA).