NASA's James Webb-ruimtetelescoop heeft de duidelijke signatuur van water vastgelegd, samen met bewijs voor wolken en waas, in de atmosfeer rond een hete, gezwollen gasreuzenplaneet die rond een verre zonachtige ster draait.

De waarneming, die de aanwezigheid van specifieke gasmoleculen onthult op basis van kleine afnames in de helderheid van precieze kleuren van licht, is de meest gedetailleerde in zijn soort tot nu toe, en demonstreert Webb's ongekende vermogen om atmosferen op honderden lichtjaren afstand te analyseren.

Terwijl de Hubble-ruimtetelescoop de afgelopen twee decennia talloze exoplaneetatmosferen heeft geanalyseerd en de eerste duidelijke detectie van water in 2013 heeft vastgelegd, markeert Webb's onmiddellijke en meer gedetailleerde observatie een gigantische sprong voorwaarts in de zoektocht om potentieel bewoonbare planeten buiten de aarde te karakteriseren.

WASP-96 b is een van de meer dan 5.000 bevestigde exoplaneten in de Melkweg. Gelegen op ongeveer 1150 lichtjaar afstand in het zuidelijke sterrenbeeld Phoenix, vertegenwoordigt het een soort gasreus die geen directe analogie heeft in ons zonnestelsel. Met een massa van minder dan de helft van die van Jupiter en een diameter van 1,2 keer groter, is WASP-96 b veel dikker dan welke planeet dan ook die om onze zon draait. En met een temperatuur hoger dan 1000 ° F is het aanzienlijk heter. WASP-96 b draait extreem dicht bij zijn zonachtige ster, slechts een negende van de afstand tussen Mercurius en de zon, en voltooit elke 3½ aardse dagen een circuit.

De combinatie van groot formaat, korte omlooptijd, gezwollen atmosfeer en gebrek aan vervuilend licht van objecten dichtbij in de lucht, maakt WASP-96 b een ideaal doelwit voor atmosferische waarnemingen.

Op 21 juni heeft Webb's Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) het licht van het WASP-96-systeem gedurende 6,4 uur gemeten terwijl de planeet over de ster bewoog. Het resultaat is een lichtcurve die het algehele dimmen van sterrenlicht tijdens de transit laat zien, en een transmissiespectrum dat de helderheidsverandering van individuele golflengten van infrarood licht tussen 0,6 en 2,8 micron laat zien.

Terwijl de lichtcurve eigenschappen van de planeet bevestigt die al waren vastgesteld op basis van andere waarnemingen - het bestaan, de grootte en de baan van de planeet - onthult het transmissiespectrum voorheen verborgen details van de atmosfeer:de ondubbelzinnige signatuur van water, aanwijzingen voor waas, en bewijs van wolken waarvan werd gedacht dat ze niet bestonden op basis van eerdere waarnemingen.

Een transmissiespectrum wordt gemaakt door sterlicht te vergelijken dat door de atmosfeer van een planeet wordt gefilterd terwijl het over de ster beweegt, met het ongefilterde sterlicht dat wordt gedetecteerd wanneer de planeet naast de ster staat. Onderzoekers kunnen de abundanties van belangrijke gassen in de atmosfeer van een planeet detecteren en meten op basis van het absorptiepatroon - de locaties en hoogten van pieken in de grafiek. Net zoals mensen kenmerkende vingerafdrukken en DNA-sequenties hebben, hebben atomen en moleculen karakteristieke golflengtepatronen die ze absorberen.

Het spectrum van WASP-96 b dat door NIRISS is vastgelegd, is niet alleen het meest gedetailleerde bijna-infraroodtransmissiespectrum van een exoplaneetatmosfeer dat tot nu toe is vastgelegd, maar het bestrijkt ook een opmerkelijk breed bereik aan golflengten, waaronder zichtbaar rood licht en een deel van het spectrum die niet eerder toegankelijk was met andere telescopen (golflengten langer dan 1,6 micron). Dit deel van het spectrum is bijzonder gevoelig voor water en voor andere belangrijke moleculen zoals zuurstof, methaan en koolstofdioxide, die niet meteen duidelijk zijn in het WASP-96b-spectrum, maar die detecteerbaar zouden moeten zijn in andere exoplaneten die gepland zijn voor observatie door Webb. .

Onderzoekers zullen het spectrum kunnen gebruiken om de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer te meten, de overvloed aan verschillende elementen zoals koolstof en zuurstof te beperken en de temperatuur van de atmosfeer met diepte te schatten. Ze kunnen deze informatie vervolgens gebruiken om conclusies te trekken over de algehele samenstelling van de planeet, evenals hoe, wanneer en waar deze is gevormd. De blauwe lijn op de grafiek is een best-fit model dat rekening houdt met de gegevens, de bekende eigenschappen van WASP-96 b en zijn ster (bijv. grootte, massa, temperatuur) en veronderstelde kenmerken van de atmosfeer.

Het uitzonderlijke detail en de helderheid van deze metingen is mogelijk dankzij het ultramoderne ontwerp van Webb. De vergulde spiegel van 270 vierkante meter vangt efficiënt infrarood licht op. Zijn precisiespectrografen verspreiden het licht in regenbogen van duizenden infraroodkleuren. En zijn gevoelige infrarooddetectoren meten uiterst subtiele verschillen in helderheid. NIRISS kan kleurverschillen detecteren van slechts ongeveer een duizendste micron (het verschil tussen groen en geel is ongeveer 50 micron), en verschillen in de helderheid tussen die kleuren van enkele honderden delen per miljoen.

Bovendien zorgt de extreme stabiliteit van Webb en zijn orbitale locatie rond Lagrange Point 2, ongeveer een miljoen mijl verwijderd van de vervuilende effecten van de atmosfeer van de aarde, voor een ononderbroken zicht en schone gegevens die relatief snel kunnen worden geanalyseerd.

Het buitengewoon gedetailleerde spectrum - gemaakt door gelijktijdig 280 individuele spectra te analyseren die tijdens de waarneming zijn vastgelegd - geeft slechts een hint van wat Webb in petto heeft voor onderzoek naar exoplaneten. Komend jaar zullen onderzoekers spectroscopie gebruiken om de oppervlakken en atmosferen van enkele tientallen exoplaneten te analyseren, van kleine rotsplaneten tot gas- en ijsrijke reuzen. Bijna een kwart van de observatietijd van Webb's cyclus 1 wordt besteed aan het bestuderen van exoplaneten en de materialen waaruit ze bestaan.

Deze NIRISS-waarneming toont aan dat Webb de kracht heeft om de atmosferen van exoplaneten - inclusief die van potentieel bewoonbare planeten - tot in de kleinste details te karakteriseren. + Verder verkennen

Webb's NIRISS-instrument is klaar om de kosmos te zien in meer dan 2000 infraroodkleuren