11月 27, 2022

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ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでにないような系外惑星の大気を明らかにします

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでにないような系外惑星の大気を明らかにします

JWST による WASP-39b の新しい観測により、系外惑星のより鮮明な画像が得られ、惑星の大気中にナトリウム、カリウム、水、二酸化炭素、一酸化炭素、二酸化硫黄が存在することが示されました。 このアーティストのイラストは、新たに発見された惑星全体に散在する雲のパッチも示しています。 クレジット: Melissa Weiss/The Astrophysical Center | ハーバードとスミソニアン

ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) は、世界の遠い空の詳細な分子および化学画像を新たに記録しました。


望遠鏡の高感度計器クラスターは、WASP-39 b として知られる、約 700 光年離れた星を周回する土星質量の惑星である「熱い土星」の大気で訓練されました。 JWST や、ハッブルやスピッツァーなどの他の宇宙望遠鏡は、以前にこの惑星の大気の孤立した成分を検出していましたが、新しい読み取り値は、原子、分子、さらには活発な化学物質や雲の兆候の完全なカタログを提供します。

天体物理学センターの天体物理学者であるメルセデス・ロペス・モラレスは、「データ内の多数の異なる粒子からの信号の明瞭さは驚くべきものです。 ハーバードとスミソニアン、そして新しい発見に貢献した科学者の一人。

「これらのシグナルの多くが見られると予想していましたが、最初にデータを見たときは畏敬の念を抱きました」と Lopez-Morales 氏は付け加えます。

最新のデータは、これらの太陽系外惑星の雲が間近にどのように見えるかについてのヒントも与えてくれます。つまり、惑星を覆う単一の均一なシュラウドではなく、ゆるい雲です。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでにないような系外惑星の大気を明らかにします

NASA/ESA/CSA ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡によって、高温ガス巨大系外惑星 WASP-39 b の大気の組成が明らかになりました。 この図は、4 つの装置モードで動作する 3 つの Webb 装置からの 4 つの透過スペクトルを示しています。 それらはすべて、0.5 ~ 5.5 ミクロンの範囲の共通のスケールでプロットされています。 透過スペクトルは、惑星が星の前を移動する際に惑星の大気を通してフィルター処理された星の光と、惑星が星の隣にあるときに検出されるフィルターされていない星の光を比較することによって作成されます。 これらのグラフの各データ ポイント (白い円) は、惑星がブロックし、大気によって吸収される光の特定の波長の量を表します。 大気によって優先的に吸収される波長は、透過スペクトルのピークとして現れます。 青い線は、WASP-39 b とその星の既知のデータと特性 (サイズ、質量、温度など)、および仮定された大気の特性を考慮した最適なモデルです。 研究者は、モデルのパラメーターを変更して、大気中の雲の高さやさまざまなガスの存在量などの未知の特性を変更して、大気が実際に何であるかをより適切に把握し、理解を深めることができます。 左上に、NIRISS からのデータは、カリウム (K)、水 (H2O)、および一酸化炭素 (CO) のフィンガープリントを示しています。 右上では、NIRCam からのデータが顕著な親水性の特徴を示しています。 左下の NIRSpec のデータは、水、二酸化硫黄 (SO2)、二酸化炭素 (CO2)、および一酸化炭素 (CO) を示しています。 右下の追加の NIRSpec データは、ナトリウム (Na) に加えて、これらすべての分子を示しています。 クレジット: NASA、ESA、CSA、J. Olmsted (STScI)

この結果は、科学者が望んでいた系外惑星 (他の恒星の周りの惑星) に関する幅広い調査を行う JWST の能力にとって良い兆候です。 これには、TRAPPIST-1 システム内の惑星など、より小さな岩石惑星の大気の調査が含まれます。

私たちは気づきました 系外惑星 「複数の機器を一緒に使用すると、広範囲の赤外線スペクトルと、JWST までアクセスできなかった化学的特徴のセットが提供されます」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者で、新しい研究に貢献し、調整を支援したナタリー バタルハは述べています。 このようなデータはゲームチェンジャーです。」

発見のコレクションは、新たに提出された 5 つの科学論文のセットで詳述されており、プレプリント サイト arXiv で入手できます。 前例のない発見の中には、惑星の親星からの高エネルギー光によって生成された化学反応から生じる分子である二酸化硫黄の大気中の最初の検出があります。 地球上では、保護オゾン層が 上層大気 同様の方法で作成されます。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでにないような系外惑星の大気を明らかにします

この画像は、惑星 WASP-39 b とその星のアーティストの印象を示しています。 この惑星には、暗いオレンジブルーの大気があり、その下に縦方向の雲の帯のヒントがあります。 惑星の左象限 (星に面している側) が照らされ、残りは影になっています。 星は明るい黄白色で、はっきりした輪郭はありません。 クレジット: NASA、ESA、CSA、J. Olmsted (STScI)

NASA ハッブル フェローであり、天体物理学センターの天文学者であり、二酸化硫黄の発見を行ったチームの中心メンバーである Diana Powell は、次のように述べています。 . 地球も光化学を経ているため、私たちの惑星は以前に知られていたよりも「熱い土星」と多くの共通点を持っています。」

ハーバード大学の大学院生で天体物理学センターの研究者である Gia Adams は、二酸化硫黄の信号を確認するデータを分析しました。

「太陽系外惑星の大気の分野における初期のキャリア研究者として、このような発見に参加できることは非常にエキサイティングです」と Adams は言います。 「このデータを分析するプロセスは魔法のように思えました。初期のデータにこの機能のヒントが見られましたが、この高解像度ツールは SO の署名を明らかにしました。」2 明らかに、謎を解くのに役立ちました。」

華氏1,600度の推定温度と大部分が水素でできた大気では、WASP-39 bは居住可能であるとは考えられていません. 太陽系外惑星は土星と木星の両方と比較されており、質量は土星に似ていますが、全体のサイズは木星のサイズです。 しかし、新しい研究は、居住可能な惑星での生命の可能性の証拠を見つける方法を示しています。

惑星が主星に近いこと (水星が太陽に近い距離の 8 倍) は、系外惑星に対する主星からの放射線の影響を研究するための実験室にもなります。 星と惑星のつながりについてのより良い知識は、これらのプロセスが銀河で観察される惑星の多様性をどのように生み出すかについてのより深い理解につながるはずです。

JWSTによって発見された大気の他の成分には、ナトリウム、カリウム、 水蒸気、宇宙および地上の望遠鏡による以前の観測を確認し、以前には見られなかった、より長い波長で追加の水の特徴を発見しました。

JWSTも見た 二酸化炭素 より高い解像度で、彼女の以前の観測から報告されたデータの 2 倍を提供します。 その間、 一酸化炭素 が検出されましたが、メタンと硫化水素の両方の明確な痕跡はデータにありませんでした。 それらが存在する場合、これらの分子は非常に低いレベルで発生します。これは、これらの遠い世界の形成と進化をよりよく理解するために系外惑星の化学を調査する科学者にとって重要な発見です。

国際チームが、JWST の正確に較正された計器の 4 つのモードから個別に分析された何百ものデータをデジタル化したため、WASP-39 b の大気のこのような広いスペクトルを捉えることは、強力な科学の傑作でした。 その後、研究結果を詳細に比較し、より科学的に正確な結果を導き出しました。

JWSTは宇宙を 赤外線ライト、人間の目で見ることができる範囲を超えた光スペクトルの赤端。 これにより、望遠鏡は可視光では検出できない化学的特徴を捉えることができます。

3 つの機器にはそれぞれ、NIRSpec、NIRCam、NIRISS という名前の赤外線 “IR” のバージョンも含まれています。

WASP-39 b からの光を見るために、JWST は、星の前を通過する惑星を追跡し、星の光の一部が惑星の大気を通過できるようにしました。 大気中のさまざまな種類の化学物質が、星の光のスペクトルのさまざまな色を吸収するため、天文学者はどの分子が存在するかがわかります。

系外惑星をじっくりと分析することで 雰囲気、JWSTの機器の性能は科学者の期待を上回り、銀河の広範囲の太陽系外惑星の探査の新しい段階を約束します.

「小さな地球型惑星の大気で何が見つかるか楽しみです」と López-Morales は言います。

詳しくは:
Shang-Min Tsai 他、系外惑星の大気における光化学の直接的証拠、 arXiv (2022)。 doi.org/10.48550/arXiv.2211.10490

Lili Alderson ら、JWST NIRSpec G395H を使用した WASP-39b 太陽系外惑星の早期打ち上げの科学、 arXiv (2022)。 doi.org/10.48550/arXiv.2211.10488

Z. Rustamkulov ら、JWST NIRSpec PRISM による太陽系外惑星 WASP-39b の早期放出科学、 arXiv (2022)。 doi.org/10.48550/arXiv.2211.10487

Eva-Maria Ahrer ら、JWST NIRCam を使用した初期系外惑星打ち上げ WASP-39b の科学、 arXiv (2022)。 doi.org/10.48550/arXiv.2211.10489

Adina D. Feinstein et al.、JWST NIRISS による初期系外惑星打ち上げ WASP-39b の科学、 arXiv (2022)。 doi.org/10.48550/arXiv.2211.10493

ジャーナル情報:
arXiv

引用: ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がこれまでに見たことのない太陽系外惑星の大気を明らかにする (2022 年 11 月 22 日)

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