(New observations of WASP-39b with the JWST have provided a clearer picture of the exoplanet, showing the presence of sodium, potassium, water, carbon dioxide, carbon monoxide and sulfur dioxide in the planet's atmosphere. This artist's illustration also displays newly detected patches of clouds scattered across the planet. Credit: Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)
(The atmospheric composition of the hot gas giant exoplanet WASP-39 b has been revealed by the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. This graphic shows four transmission spectra from three of Webb’s instruments operated in four instrument modes. All are plotted on a common scale extending from 0.5 to 5.5 microns. A transmission spectrum is made by comparing starlight filtered through a planet’s atmosphere as it moves in front of the star, to the unfiltered starlight detected when the planet is beside the star. Each of the data points (white circles) on these graphs represents the amount of a specific wavelength of light that is blocked by the planet and absorbed by its atmosphere. Wavelengths that are preferentially absorbed by the atmosphere appear as peaks in the transmission spectrum. The blue line is a best-fit model that takes into account the data, the known properties of WASP-39 b and its star (e.g., size, mass, temperature), and assumed characteristics of the atmosphere. Researchers can vary the parameters in the model – changing unknown characteristics like cloud height in the atmosphere and abundances of various gases – to get a better fit and further understand what the atmosphere is really like. At upper left, data from NIRISS shows fingerprints of potassium (K), water (H2O), and carbon monoxide (CO). At upper right, data from NIRCam shows a prominent water signature. At lower left, data from NIRSpec indicates water, sulfur dioxide (SO2), carbon dioxide (CO2), and carbon monoxide (CO). At lower right, additional NIRSpec data reveals all of these molecules as well as sodium (Na). Credit: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI))
(This image shows an artist's impression of the planet WASP-39 b and its star. The planet has a fuzzy orange-blue atmosphere with hints of longitudinal cloud bands below. The left quarter of the planet (the side facing the star) is lit, while the rest is in shadow. The star is bright yellowish-white, with no clear features. Credit: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI))
(NASA’s James Webb Space Telescope made the first identification of sulfur dioxide in an exoplanet’s atmosphere. Its presence can only be explained by photochemistry – chemical reactions triggered by high-energy particles of starlight. Photochemistry is essential to processes on Earth key to life like photosynthesis and the generation of our ozone layer. Credit: NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Center for Astrophysics-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss)
지구에서 700광년 떨어진 뜨거운 토성형 행성인 WASP-39 b은 토성 수준 질량에 목성보다 더 큰 부피를 지니고 있습니다. 수성의 1/8에 불과한 가까운 공전궤도 때문에 표면 온도가 섭씨 900도에 달하기 때문입니다. 더 뜨거운 목성형 행성도 있지만, 중력으로 가스를 잡아둘 수 있는 반면 WASP-39 b는 작은 중력 때문에 크게 부풀어 올랐습니다.
이런 특징 때문에 WASP-39 b는 제임스 웹 우주 망원경의 첫 해 관측에서 주요 목표 중 하나였습니다. 대기가 넓게 퍼진 만큼 관측도 쉽기 때문입니다. 과학자들의 목표는 WASP-39 b 대기에서 여러 가지 물질들을 찾아내는 것입니다. 앞서 연구에서 과학자들은 이산화탄소의 존재를 증명했습니다.
여러 기관의 과학자들은 제임스 웹 우주 망원경의 초기 관측 데이터를 분석해 새로운 물질들을 대거 추가로 발견했습니다. 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경의 NIRISS 데이터에서 포타슘, 물, 일산화탄소 (potassium (K), water (H2O), and carbon monoxide (CO))의 증거를 찾아냈으며 NIRSpec 데이터에서 물, 이산화황, 이산화탄소, 일산화탄소 (water, sulfur dioxide (SO2), carbon dioxide (CO2), and carbon monoxide (CO))와 나트륨의 존재를 확인했습니다.
이 물질들은 사실 우주에 흔하기 때문에 존재한다는 사실 자체는 놀랍지 않습니다. 하지만 이 정도 거리에서 정확한 분포와 구성을 알아낼 수 있는 것은 두말할 필요 없이 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 성능 덕분입니다.
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이번 연구에서 과학자들는 이산화황의 존재를 증명하고 이전 연구보다 더 정확하게 이산화탄소의 분포를 확인할 수 있었습니다. 그러나 메탄처럼 있을 것으로 여겨지는 분자는 발견하지 못했습니다. 아직은 초기 단계이기 때문에 앞으로 연구를 통해 추가로 많은 분자를 발견할 수 있을 것으로 기대됩니다.
과학자들은 이번 관측 결과를 토대로 항성에서 가까운 별의 대기에서 일어나는 화학적 연쇄 반응을 추정할 수 있게 됐습니다. 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 성능 덕분에 대기의 존재 뿐 아니라 그 구체적인 구조와 진화를 이해할 수 있게 된 것입니다. 앞으로의 성과도 기대합니다.
참고
https://phys.org/news/2022-11-james-webb-space-telescope-reveals.html
Shang-Min Tsai et al, Direct Evidence of Photochemistry in an Exoplanet Atmosphere, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10490
Lili Alderson et al, Early Release Science of the Exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec G395H, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10488
Z. Rustamkulov et al, Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRSpec PRISM, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10487
Eva-Maria Ahrer et al, Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRCam, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10489
Adina D. Feinstein et al, Early Release Science of the exoplanet WASP-39b with JWST NIRISS, arXiv (2022). doi.org/10.48550/arXiv.2211.10493
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