Webb löysi vettä ja uuden mysteerin harvinaiselta pääasteroidivyöhykkeen komeetalta

NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi on mahdollistanut kauan etsityn tieteellisen läpimurron. Webbin NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) -instrumentin avulla tähtitieteilijät ovat löytäneet vesihöyryä komeetan ympärillä pääasteroidivyöhykkeellä. Havainto vahvistaa sen, että vesi alkuperäisestä Aurinkokunnasta voi säilyä jäänä kyseisellä alueella. Veden onnistuneeseen havaitsemiseen liittyy kuitenkin uusi arvoitus: toisin kuin muissa komeetoissa, komeetta 238P/Readissa ei ollut havaittavaa hiilidioksidia.

Tämä kuva komeetta 238P/Readista on otettu NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin NIRCam-instrumentilla (Near-Infrared Camera) 8. syyskuuta 2022. Siinä näkyy utuinen halo, jota kutsutaan komaksi, ja pyrstö, jotka ovat tyypillisiä komeetoille, toisin kuin asteroideille. Pölyinen koma ja pyrstö ovat seurausta jään höyrystymisestä, kun Aurinko lämmittää komeettaa. Kuva ESA.

"Kostea maailmamme, joka on täynnä elämää ja joka on, sikäli kuin tiedämme, ainutlaatuinen maailmankaikkeudessa, on mysteeri – emme ole varmoja, miten kaikki tämä vesi joutui tänne", sanoi Stefanie Milam, Webbin planeettojen apulaisprojektitutkija. "Veden jakautumisen historian ymmärtäminen Aurinkokunnassa auttaa meitä ymmärtämään muita planeettajärjestelmiä ja voisivatko ne olla matkalla isännöimään Maan kaltaista planeettaa", hän lisäsi.

Read on pääasteroidivyöhykkeen kohde, jolla on ajoittain koma ja pyrstö kuten komeetoilla. Asteroidivyöhykkeen komeetat itsessään ovat melko uusi luokitus, ja komeetta Read oli yksi kolmesta alkuperäisestä komeetasta, joita käytettiin luokan perustamiseen. Ennen sitä komeettojen uskottiin olevan peräisin Kuiperin vyöhykkeestä ja Oortin pilvestä, Neptunuksen kiertoradan takaa, missä niiden jäät voi säilyä kauempana Auringosta. Jäätynyt materiaali, joka höyrystyy lähestyttäessä Aurinkoa, kehittää komeetoille niiden koman ja pyrstön, mikä erottaa ne asteroideista. Tiedemiehet ovat pitkään spekuloineet, että vesijää voisi säilyä lämpimämmällä asteroidivyöhykkeellä Jupiterin kiertoradan sisällä, mutta lopullista näyttöä oli vaikea saada – Webbiin asti.

"Olemme aiemmin nähneet päävyöhykkeellä kohteita, joilla on kaikki komeettojen ominaisuudet, mutta vain näiden Webbin tarkan spektritietojen perusteella voimme sanoa, että kyllä, vesijää on ehdottomasti se, joka luo tämän vaikutuksen", selitti tähtitieteilijä Michael Kelley. Marylandin yliopistosta, tutkimuksen johtava kirjoittaja.

"Webin Read-havainnoilla voimme nyt osoittaa, että varhaisen Aurinkokunnan vesijää voi säilyä asteroidivyöhykkeellä", Kelley sanoi.

Taiteilijan näkemys komeetta 238P/Readistä.  Pääasteroidivyöhykkeen komeetasta vesijää höyrystyy (sublimoituu), kun se kiertoradallaan lähestyy Aurinkoa. Tämä on merkittävää, sillä sublimaatio erottaa komeetat asteroideista luoden niiden erottuvan pyrstön ja utuisen halon eli koman. NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin vesihöyryn havaitseminen Readistä on tärkeä vertailukohta asteroidivyöhykkeen komeettojen tutkimuksessa ja laajemmassa tutkimuksessa maan runsaan veden alkuperästä. Kuva ESA.

Hiilidioksidin puuttuminen oli suurempi yllätys. Tyypillisesti hiilidioksidi muodostaa noin 10 prosenttia komeetan haihtuvasta aineesta, joka voi helposti höyrystyä lämmön vaikutuksesta. Tiederyhmä esittää kaksi mahdollista selitystä hiilidioksidin puutteelle. Yksi mahdollisuus on, että Readissa oli hiilidioksidia muodostuessaan, mutta se on menettänyt sen lämmön vaikutuksesta.

"Pitkäaikainen asteroidivyöhykkeellä oleminen voisi tehdä sen - hiilidioksidi höyrystyy helpommin kuin vesijää ja voi sublimoitua miljardeissa vuosissa", Kelley sanoi. Vaihtoehtoisesti, hän sanoi, Read on saattanut muodostua Aurinkokunnan erityisen lämpimään taskuun, jossa hiilidioksidia ei ollut saatavilla.

Seuraava askel on laajentaa tutkimus muihin kohteisiin, jotta nähtäisiin, miten muut asteroidivyöhykkeen komeetat vertautuvat toisiinsa, sanoo tähtitieteilijä Heidi Hammel Astronomian yliopistojen liitosta (AURA). "Nämä kohteet asteroidivyöhykkeellä ovat pieniä ja himmeitä, ja Webbin avulla voimme vihdoin nähdä, mitä niillä tapahtuu, ja tehdä johtopäätöksiä. Puuttuuko myös muilta asteroidivyöhykkeen komeetoista hiilidioksidia? Joka tapauksessa se on jännittävää saada selville”, Hammel sanoi.

Stefanie Milam kuvittelee mahdollisuuksia tuoda tutkimus vielä lähemmäs kotia. "Nyt kun Webb on vahvistanut, että vettä on säilynyt yhtä lähellä kuin asteroidivyöhyke, olisi mielenkiintoista seurata tätä löytöä näytteenottotehtävällä ja oppia, mitä muuta päävyöhykkeen komeetat voivat kertoa meille."

Tutkimus on julkaistu Nature -lehdessä (maksumuuri).

Webbin tekemät havainnot ensimmäisestä eksoplaneetastaan

Tutkijat ovat vahvistaneet[1] eksoplaneetan olemassaolon NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskoopin avulla ensimmäistä kertaa. Tunnuksen LHS 475 b saanut planeetta on lähes täsmälleen samankokoinen kuin omamme, sen halkaisija on noin 99 % Maan halkaisijasta.

Taiteilijan näkemys eksoplaneetasta. Kuva NASA/ESA/CSA.

Tutkimusryhmää johtavat Kevin Stevenson ja Jacob Lustig-Yeger, molemmat Johns Hopkinsin yliopiston sovelletun fysiikan laboratoriosta Laurelissa, Marylandissa. Tiimi päätti tarkkailla tätä kohdetta Webb-teleskoopilla tarkistettuaan huolellisesti NASAn Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) -satelliitin tiedot, jotka vihjasivat planeetan olemassaoloon. Webbin lähi-infrapunaspektrografi (NIRSpec) havaitsi planeetan helposti ja selkeästi vain kahdella ylikulkuhavainnolla. "Ei ole epäilystäkään siitä, että planeetta on olemassa, Webbin tarkat tiedot vahvistavat sen”, Lustig-Yager sanoi.

"Nämä ensimmäiset havaintotulokset Maan kokoisesta kiviplaneetasta avaavat oven monille tulevaisuuden mahdollisuuksille tutkia kiviplaneettojen ilmakehää Webbin kanssa", myönsi Mark Clampin, NASAn Washingtonin päämajan astrofysiikan osaston johtaja. "Web tuo meidät yhä lähemmäksi uutta ymmärrystä Maan kaltaisista maailmoista Aurinkokunnan ulkopuolella, ja tehtävä on vasta alkamassa."

Webbin havaintojen perusteella laadittu tähden kirkkauskäyrä, jossa näkyvä "kuoppa" paljastaa planeetan ylikulun, sekä sen halkaisijan. Kiertoaika puolestaan voidaan määrittää toistuvien ylikulkujen perusteella. Tähden massan ja kiertoajan perusteella voidaan laskea planeetan etäisyys tähdestä ja planeetan massa. Kuva NASA/ESA/CSA.

Kaikista toimivista kaukoputkesta vain Webb pystyy karakterisoimaan Maan kokoisten eksoplaneettojen ilmakehän. Ryhmä yritti arvioida, mitä planeetan ilmakehässä on analysoimalla sen siirtospektriä. Vaikka tiedot osoittavat, että tämä on Maan kokoinen kiviplaneetta, he eivät vielä tiedä, onko sillä ilmakehää. "Observatorion tiedot ovat kauniita", sanoi Erin May, myös Johns Hopkinsin yliopiston soveltavan fysiikan laboratoriosta. "Kaukoputki on niin herkkä, että se havaitsee helposti useita molekyylejä, mutta emme voi vielä tehdä lopullisia johtopäätöksiä planeetan ilmakehästä."

Vaikka tiimi ei voi päätellä tarkasti, mitä on havaittu, he voivat ehdottomasti sanoa, mitä ei ole. "Voimme sulkea pois joitain ilmakehätyyppejä", Lustig-Yager selitti. "Sillä ei voi olla paksua metaani-ilmakehää, joka on samanlainen kuin esimerkiksi Saturnuksen kuulla Titanilla."

Webb ei havainnut havaittavaa määrää mitään alkuainetta tai molekyyliä. Spekrihavainnot (valkoiset pisteet) ovat yhdenmukaisia ​​sellaisen planeetan ominaisuuksettoman spektrin kanssa, jolla ei ole ilmakehää (keltainen viiva). Violetti viiva edustaa puhdasta hiilidioksidi-ilmakehää, eikä sitä voi erottaa ilmakehättömästä nykyisellä tarkkuudella. Vihreä viiva edustaa puhdasta metaani-ilmakehää, joka ei kuitenkaan ole todennäköinen, koska metaanin, jos sitä on, odotetaan estävän enemmän tähtien valoa 3,3 mikrometrin aallonpituudella. Kuva NASA/ESA/CSA.

Ryhmä toteaa myös, että vaikka on mahdollista, että planeetalla ei ole ilmakehää, on joitakin ilmakehätyyppejä, joita ei ole suljettu pois, kuten puhdas hiilidioksidi-ilmakehä. "Vastaintuitiivisesti 100-prosenttinen hiilidioksidi-ilmakehä on niin paljon kompaktimpi, että sen havaitseminen on erittäin haastavaa", Lustig-Yager sanoi. Vielä tarkempia mittauksia tarvitaan, jotta tiimi erottaisi puhtaan hiilidioksidi-ilmakehän usean kaasun muodostamasta ilmakehästä. Tutkijoiden on tarkoitus hankkia lisää spektrejä lisähavainnoilla tulevana kesänä.

Webb paljasti myös, että planeetta on muutama sata astetta lämpimämpi kuin Maa, joten jos pilviä havaitaan, se voi saada tutkijat päättelemään, että planeetta on Venuksen kaltainen, jolla on hiilidioksidi-ilmakehä ja joka on jatkuvasti paksujen pilvien peitossa. "Olemme eturintamassa pienten, kivisten eksoplaneettojen tutkimisessa", Lustig-Yager sanoi. "Olemme tuskin alkaneet raapia pintaa siitä, millainen heidän ilmakehä planeetalla voisi olla."

Tutkijat vahvistivat myös, että planeetan kiertoaika on noin kaksi vuorokautta. Tämä tieto paljastui lähes välittömästi Webbin tarkasta valokäyrästä. Vaikka LHS 475 b on lähempänä tähteään kuin mikään Aurinkokunnan planeetta, sen punainen kääpiötähden lämpötila on alle puolet Auringon lämpötilasta, joten tutkijoiden mukaan planeetta voisi silti ylläpitää ilmakehää.

Tutkijoiden löydökset ovat avanneet mahdollisuuden paikantaa Maan kokoisia planeettoja, jotka kiertävät pienempiä punaisia ​​kääpiötähtiä. "Tämä kiviplaneetan vahvistus korostaa tehtävän instrumenttien tarkkuutta", Stevenson sanoi. "Ja se on vasta ensimmäinen monista löydöistä, jotka se tekee." Lustig-Yager oli samaa mieltä: "Tämän teleskoopin avulla kiviset eksoplaneetat ovat uusi raja."

LHS 475 b on suhteellisen lähellä, vain 41 valovuoden päässä, Oktantin tähdistössä.

Viittaukset

[1] Ryhmän tulokset esiteltiin American Astronomical Societyn (AAS) lehdistötilaisuudessa keskiviikkona 11. tammikuuta 2023.

Webbin kuvat: WASP-96 b

James Webb avaruusteleskoopin julkaistujen kuvien joukossa on dataa eksoplaneetta WASP-96 b:n ilmakehän spektristä. Sen mukaan tutkijat pystyvät erottamaan spektrissä merkittävän määrä vettä, jonka olemassaolo havaitussa määrin on pieni yllätys, sillä planeetan lämpötila on enemmän kuin 500 °C.

WASP-96 b eksoplaneetan spektri. Kuva NASA/ESA CSA.

Eksoplaneetta sijaitsee Feeniksin (-linnun) tähdistössä eteläisellä tähtitaivaalla noin 1 150 valovuoden etäisyydellä. Tyypiltään se on kaasujättiläinen mutta huomattavasti laajentunut verrattuna esimerkiksi Jupiteriin. Eksoplaneetan massa on alle puolet Jupiterin massasta mutta sen halkaisija on 1,2 kertaa Jupiterin halkaisija. Korkea lämpötila selittyy sillä, että se kiertää tähteään vain yhdeksäsosan etätyöisyydellä Merkuriuksen ja Auringon välisestä etäisyydestä. Nämä ominaisuudet tiedettiin entuudestaan ja juuri näiden vuoksi WASP-96 b valittiin havaittavaksi.

Eksoplaneetan havainnot tehtiin Webbin Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) -laitteistolla siten, että tähden säteilemä valo kulki eksoplaneetan ilmakehän lävitse. Ilmakehä on samea ja siinä on pilviä, mutta Webbin laitteistojen herkkyys riitti noin 6,4 tunnin valotuksella riittävän tarkan spektrin tekemiseen. Käytetyt aallonpituudet olivat 0,6 – 2,8 mikrometriä eli se ulottui punaisesta valosta lähi-infran aallonpituuksille usealla eri kanavalla. 

Erityisesti aallonpituudet, jotka ylittivät 1,6 mikrometriä, olivat tutkijoiden mielenkiinnon kohteena, sillä näitä aallonpituuksia ei ole pystytty kovinkaan tehokkaasti havaitsemaan aikaisemmin. Nämä aallonpituudet ovat erityisen herkkiä veden, hapen, metaanin ja hiilidioksidin absorptioille. Veden lisäksi tutkijat pystyivät määrittämään hiilen ja hapen enimmäismäärät ja arvioimaan lämpötilaa eri syvyyksillä ilmakehässä.