För första gången har astronomer hittat entydiga bevis på koldioxid i atmosfären på en exoplanet (en planet utanför vårt solsystem).

Upptäckten, godkänd för publicering i Nature och publicerades online den 25 augusti, visar James Webb Space Telescope (JWST) kraft att leverera oöverträffade observationer av exoplanetatmosfärer.

Natalie Batalha, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz, leder teamet av astronomer som gjorde upptäckten, med hjälp av JWST för att observera en planet med Saturnusmassa som heter WASP-39b som kretsar mycket nära en solliknande stjärna omkring 700 ljus- år från jorden.

"Tidigare observationer av den här planeten med Hubble och Spitzer hade gett oss lockande antydningar om att koldioxid kan vara närvarande," sa Batalha. "Data från JWST visade en otvetydig koldioxidegenskap som var så framträdande att det praktiskt taget skrek åt oss."

Koldioxid är en viktig komponent i atmosfären hos planeter i vårt solsystem, som finns på steniga planeter som Mars och Venus samt gasjättar som Jupiter och Saturnus. För exoplanetforskare är det viktigt både som en gas som de sannolikt kommer att kunna upptäcka på små steniga planeter och som en indikator på det totala överflöd av tunga grundämnen i jätteplanets atmosfärer.

"Koldioxid är faktiskt en mycket känslig mätstav - den bästa vi har - för tunga grundämnen i gigantiska planetatmosfärer, så det faktum att vi kan se det så tydligt är verkligen fantastiskt", säger medförfattaren Jonathan Fortney, professor i astronomi och astrofysik vid UCSC och chef för Other Worlds Laboratory.

Stjärnor och gasjätteplaneter är främst gjorda av de lättaste grundämnena, väte och helium, men överflödet av tyngre grundämnen – vad astronomer kallar "metallicitet" – är en kritisk faktor i planetbildningen, förklarade Fortney.

"Förmågan att bestämma mängden tunga grundämnen på en planet är avgörande för att förstå hur den bildades, och vi kommer att kunna använda den här koldioxidmätstaven för ett helt gäng exoplaneter för att bygga upp en heltäckande förståelse av gigantiska planeters sammansättning ," sa han.

Batalhas team observerade WASP-39b som en del av ett JWST Early Release Science-program för att studera transiterande exoplaneter. En transitplanet passerar framför sin stjärna sett från jorden, vilket gör det möjligt för astronomer att analysera stjärnljuset som passerar genom planetens atmosfär, där gaser som koldioxid absorberar vissa våglängder av ljus.

Med hjälp av Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) på JWST fick teamet ett högupplöst "transmission spectrum" som visar ljuset som sänds genom WASP-39bs atmosfär separerat i dess komponentvåglängder. Batalha sa att data gav "utsökta ljuskurvor" och visade att NIRSpec-instrumentet överträffar förväntningarna för transmissionsspektroskopi. Detta bådar gott för observationer av små steniga planeter, som förväntas ha koldioxid i sin atmosfär (när de har atmosfärer), men som inte ger lika stark signal som en jätteplanet som WASP-39b.

"Denna upptäckt kommer att fungera som ett användbart riktmärke för vad vi kan göra för att upptäcka koldioxid på markplaneter framöver," sa Batalha. "Det är den mest troliga atmosfäriska gasen vi kommer att upptäcka med JWST i exoplanetatmosfärer i markstorlek."

Förutom koldioxid upptäckte forskarna en annan intressant egenskap i spektrumet av WASP-39b som de ännu inte har identifierat. "Det är en mystisk funktion för tillfället," sa Batalha. "I den här artikeln fokuserade vi på ett snävt spektrum av infraröda färger – det här är bara en förhandsvisning av de funktioner vi förväntar oss att se i hela spektrat."

Fortney noterade att WASP-39b verkar ha en liknande sammansättning som Saturnus. Saturnus metallicitet är 10 gånger solens, och WASP-39b tycks också vara berikad på tunga element med cirka 10 gånger i förhållande till solen.

"Det är superintressant, och vi skulle älska att veta om alla planeter med Saturnus massa har samma metallicitet," sa han. "Det var spännande att se detta i ett annat system, eftersom vi inte visste vad vi skulle förvänta oss när vi gick från planeterna i vårt solsystem till exoplaneternas atmosfärer."

WASP-39b ligger i stjärnbilden Jungfrun och är mer än 20 gånger närmare sin stjärna än jorden är solen. Även om den har ungefär samma massa som Saturnus, är den mindre tät och cirka 50 procent större, förmodligen på grund av uppvärmningen från att vara så nära dess värdstjärna. Tidigare observationer visade att den har relativt klar himmel, vilket gör den till ett bra mål för transmissionsspektroskopi.

När de första uppgifterna från JWST släpptes i juli var UCSC:s exoplanetforskare värd för 45 besökande astronomer för Other Worlds Laboratorys årliga Exoplanet Summer Program. "Vi var alla hopkurade runt den bärbara datorn och fick vår första titt på spektrumet och förundrades över det," sa Batalha. "Det är en enorm, nästan euforisk känsla, att se något för första gången som ingen annan människa har sett förut - det är vad vetenskap handlar om." + Utforska vidare

Webb avslöjar ångande atmosfär från en avlägsen planet i detalj