WASP-39b: pusiau sunkaus vandens ženklai JWST duomenyse

Įsivaizduokite, kad 700 šviesmečių nutolusioje planetoje randate vandens sunkesnį pusbrolį. Tai provokuojanti užuomina, kylanti iš naujų James Webb kosminio teleskopo duomenų apie išsipūtusį dujų milžiną WASP-39b.

Webb observatorija sukurta aptikti silpnus infraraudonųjų spindulių pėdsakus, ir šiuose pėdsakuose pasakojama apie papildomą masę turinčias molekules, vandens molekules, kuriose yra deuteris, sunkesnis vandenilio izotopas. Mokslininkai modeliavo planetos transmisinį spektrą ir teigia pastebėję bruožų, suderinamų su pusiau sunkiuoju vandeniu, HDO.

Kodėl vienas neutronas yra svarbus? Nes deuterio ir vandenilio santykis, D/H reikšmė, yra cheminė laiko kapsulė. Jis gali atskleisti, ar planetos vanduo susiformavo vietoje, buvo atvilktas dėl migracijos ar pakeistas dėl lėto lengvų molekulių netekimo į kosmosą. Trumpas sakinys. Didelė pasekmė.

Pusiau sunki vandens molekulė susideda iš vandenilio atomo, deuterio atomo ir deguonies atomo (žymima raudona).

WASP-39b nėra draugiška vieta. Ji skrieja labai arti prie Saulę primenančios žvaigždės, išsipučia dėl intensyvios kaitros ir radiacijos, ir temperatūra siekia apie tūkstantį laipsnių Celsijaus. Mažas gravitacijos stiprumas ir stipri žvaigždinė apšvita verčia atmosferos netekimą tapti tikru jos sudėties formuotoju. Jei lengvesnis H2O linkęs garuoti, likusi atmosfera tampa santykinai praturtinta HDO.

Kitaip galėjo būti taip, kad planeta pradėjo formuotis toliau protoplanetiniame diske, už vadinamosios sniego ribos, kur gausu ledų, natūraliai turinčių didesnį deuterio kiekį. Migruojanti planeta, surenkanti vandenį turinčias kietąsias daleles šaltuose rajonuose, atsidurtų prie savo žvaigždės jau turėdama tą izotopinį parašą. Abi galimybės, tiek atmosferos netekimas, tiek migracija, yra tikėtinos. Abi paliktų panašų cheminį pėdsaką.

WASP-39b transmisinis spektras, leidžiantis astronomams nustatyti egzoplanetos atmosferą. Y ašis rodo šviesos kiekį, blokuojamą WASP-39b ir absorbuojamą jos atmosferos; tam tikri bangų ilgiai (x ašis) atitinka skirtingas molekules.

Kaip komandai pavyko prieiti prie šios išvados? Lygindami kelis atmosferos modelius su JWST detaliu WASP-39b transmisiniu spektru, atsižvelgdami į temperatūros struktūrą, debesis ir tai, kaip skirtingos molekulės sugeria infraraudonąją šviesą. Ši planeta yra reta prabanga egzoplanetų chemikams: ją stebėjo visais keturiais Webb pagrindiniais instrumentais, sukurdama tai, ką tyrėjai vadina detaliausiu iki šiol gautu transmisiniu spektru bet kuriai kitos planetos sistemos planetai.

D/H santykio ir HDO prie H2O santykių palyginimas įvairių dangaus kūnų ir komponentų.

Rezultatas: nustatytas D/H santykis ženkliai didesnis nei tas, kurį stebime savo Saulės sistemos dujų milžinuose. Šis skirtumas yra užuomina, o ne galutinis sprendimas. Atmosferos maišymasis, šeimininkės žvaigždės sukelta fotochemija ir nežinomybės modelių parametruose gali šiek tiek paveikti apskaičiuotą santykį. Autoriai pripažįsta šiuos apribojimus ir pabrėžia papildomų modelių kūrimo bei tolesnių stebėjimų poreikį.

Yra dar viena svarbi perspektyva. HDO turi išskirtinį spektro parašą, todėl jis yra vienas pasiekiamiausių izotopologų nuotoliniams tyrimams. Jei Webb gali aptikti pusiau sunkų vandenį itin karšto dujų milžino atmosferoje, panašios technikos ateityje galėtų atskleisti deuterio praturtinimą vėsesnėse, uolingose planetose, kur vanduo arba jo istorija yra svarbi gyvybės galimybių klausimui.

WASP-39b, atrasta 2011 m., sukasi daugiau nei 20 kartų arčiau savo Saulę primenančios žvaigždės negu mes sukame aplink savo Saulę. Nepaisant tokio artumo, joje gali būti tris kartus daugiau vandens nei mūsų gerokai šaltesniame Saturne. 

Kol kas WASP-39b pati nėra gyvenimo kandidatė. Tai laboratorija. Verdanti. Aptikimas, praneštas neseniai paskelbtame preprinte arXiv, atveria naują tyrimo kryptį: ar galime naudoti izotopinius santykius kaip planetinius pirštų atspaudus, kad nustatytume, kur ir kaip susiformavo bei evoliucionavo egzoplanetų atmosferos?

Viena stebėsena neužvers knygos. Tačiau kiekvienas spektroskopinis pėdsakas prideda puslapį, ir Webb rašo greičiau nei bet kuris iki šiol buvęs teleskopas.