Otkako je 1995. otkrivena prva planeta koja kruži oko neke zvezde osim Sunca, shvatili smo da su planete i planetarni sistemi raznovrsniji nego što smo ikada zamišljali. Tako udaljeni svjetovi — egzoplanete — daju nam priliku da proučavamo kako se planete ponašaju u različitim situacijama. A učenje o njihovoj atmosferi je ključni dio slagalice.
NASA-in svemirski teleskop Džejms Veb (JVST) je najveći teleskop u svemiru. Pokrenut na Božić 2021. godine, savršen je alat za istraživanje ovih svjetova. Sada smo moje kolege i ja prvi put koristili teleskop da otkrijemo hemijski sastav egzoplanete. A podaci, objavljeni u formi preštampanja (što znači da tek treba da budu objavljeni u recenziranom časopisu), sugerišu neke iznenađujuće rezultate.
Mnoge egzoplanete su suviše blizu svojih matičnih zvijezda da bi ih čak i ovaj moćni teleskop mogao razlikovati. Ali možemo koristiti trik da posmatramo kako planeta prolazi ispred (tranzita) svoje zvezde. Tokom tranzita, planeta blokira mali dio svetlosti zvezda, a još manji deo svetlosti zvezda se filtrira kroz spoljašnje slojeve atmosfere planete.
Gasovi unutar atmosfere apsorbuju deo svijetlosti – ostavljajući otiske prstiju na svetlosti zvezda u obliku smanjenja osvetljenosti pri određenim bojama ili talasnim dužinama. JVST je posebno pogodan za proučavanje atmosfere egzoplaneta jer je infracrveni teleskop. Većina gasova koji se nalaze u atmosferi — kao što su vodena para i ugljen-dioksid — apsorbuju infracrvenu, a ne vidljivu svetlost.
Ja sam deo međunarodnog tima naučnika egzoplaneta koji koristi JSTV za proučavanje planete veličine Jupitera koja se zove VASP-39b. Međutim, za razliku od Jupitera, ovom svetu je potrebno samo nekoliko dana da kruži oko svoje zvijezde, tako da se kuva – dostiže temperature koje prelaze 827°C. Ovo nam daje savršenu priliku da istražimo kako se planetarna atmosfera ponaša u ekstremnim temperaturnim uslovima.
Koristili smo JVST da povratimo najkompletniji spektar ove fascinantne planete. U stvari, naš rad predstavlja prvi hemijski inventar atmosfere planete.
Već smo znali da većina atmosfere ove velike planete mora biti mešavina vodonika i helijuma — najlakših i najzastupljenijih gasova u univerzumu. A teleskop Habl je ranije tamo otkrio vodenu paru, natrijum i kalijum.
Sada smo bili u mogućnosti da potvrdimo našu detekciju i proizvedemo merenje količine vodene pare. Podaci takođe sugerišu da postoje i drugi gasovi uključujući ugljen-dioksid, ugljen-monoksid i neočekivano sumpor-dioksid.
Imajući merenja koliko je svakog od ovih gasova prisutno u atmosferi, možemo proceniti relativne količine elemenata koji čine gasove – vodonika, kiseonika, ugljenika i sumpora. Planete se formiraju u disku prašine i gasa oko mlade zvezde i očekujemo da različite količine ovih elemenata budu dostupne bebi planeti na različitim udaljenostima od zvezde.
Čini se da VASP-39b ima relativno malu količinu ugljenika u odnosu na kiseonik, što ukazuje da se verovatno formirao na većoj udaljenosti od zvezde gde je mogao lako da apsorbuje vodeni led sa diska (pojačavajući kiseonik), u poređenju sa njegovom strujom koja je veoma blizu orbita. Ako je ova planeta migrirala, to bi nam moglo pomoći da razvijemo naše teorije o formiranju planeta i podržalo bi ideju da su se džinovske planete u našem Sunčevom sistemu takođe prilično pomerale i tresle u ranoj fazi.
Sumporni ključ
Količina sumpora koju smo otkrili u odnosu na kiseonik je prilično visoka za VASP-39b. Očekivali bismo da će sumpor u mladom planetarnom sistemu biti više koncentrisan u komadićima stena i ruševina nego kao atmosferski gas. Dakle, ovo ukazuje da je VASP-39b možda pretrpeo neobičnu količinu sudara sa komadima stena koji sadrže sumpor. Nešto od tog sumpora bi se oslobodilo kao gas.
U atmosferi planete, različite hemikalije reaguju jedna na drugu različitom brzinom u zavisnosti od toga koliko je vruće. Obično se one slažu u ravnotežno stanje, pri čemu ukupne količine svakog gasa ostaju stabilne dok se reakcije međusobno balansiraju. Uspeli smo da predvidimo koje ćemo gasove videti u atmosferi VASP-39b za niz polaznih tačaka. Ali niko od njih nije smislio sumpor-dioksid, umesto toga je očekivao da će svaki sumpor biti zatvoren u drugom gasu, vodonik-sulfidu.
Deo hemijske slagalice koji je nedostajao bio je proces koji se zove fotohemija. Ovo je kada su brzine određenih hemijskih reakcija vođene energijom iz fotona – paketa svetlosti – koji dolaze iz zvezde, a ne temperaturom atmosfere. Pošto je VASP-39b tako vruć, a reakcije se generalno ubrzavaju na višim temperaturama, nismo očekivali da će fotohemija biti toliko važna kao što se ispostavilo.
Podaci sugerišu da se vodena para u atmosferi deli svetlošću na kiseonik i vodonik. Ovi proizvodi bi zatim reagovali sa gasovitim vodonik-sulfidom, na kraju uklanjajući vodonik i zamenjujući ga kiseonikom da bi se formirao sumpor-dioksid.
Šta je sledeće za JVST?
Fotohemija je još važnija na hladnijim planetama koje mogu biti nastanjive – ozonski omotač na našoj planeti se formira fotohemijskim procesom. JVST će posmatrati stenovite svetove u sistemu Trapist-1 tokom prve godine rada. Neka od ovih merenja su već napravljena – i sve ove planete imaju temperature sličnije Zemljinim.
Neki mogu čak imati odgovarajuću temperaturu da na površini imaju tečnu vodu, a potencijalno i život. Dobro razumevanje načina na koji fotohemija utiče na sastav atmosfere biće kritično za tumačenje Vebb teleskopa za posmatranje sistema Trapist-1. Ovo je posebno važno jer očigledna hemijska neravnoteža u atmosferi može nagovestiti prisustvo života, tako da moramo biti svesni drugih mogućih objašnjenja za ovo.
