NASA:s rymdteleskop James Webb har fångat den distinkta signaturen av vatten, tillsammans med bevis för moln och dis, i atmosfären som omger en het, pösig gasjätteplanet som kretsar kring en avlägsen solliknande stjärna.

Observationen, som avslöjar närvaron av specifika gasmolekyler baserat på små minskningar av ljusstyrkan hos exakta ljusfärger, är den mest detaljerade i sitt slag hittills, vilket visar Webbs oöverträffade förmåga att analysera atmosfärer hundratals ljusår bort.

Medan rymdteleskopet Hubble har analyserat många exoplanetatmosfärer under de senaste två decennierna och fångat den första tydliga upptäckten av vatten 2013, markerar Webbs omedelbara och mer detaljerade observation ett stort steg framåt i strävan efter att karakterisera potentiellt beboeliga planeter bortom jorden.

WASP-96 b är en av mer än 5 000 bekräftade exoplaneter i Vintergatan. Beläget ungefär 1 150 ljusår bort i den södra himlens konstellation Phoenix, representerar den en typ av gasjätte som inte har någon direkt analog i vårt solsystem. Med en massa som är mindre än hälften av Jupiter och en diameter som är 1,2 gånger större, är WASP-96 b mycket puffigare än någon planet som kretsar kring vår sol. Och med en temperatur över 1000°F är det betydligt varmare. WASP-96 b kretsar extremt nära sin solliknande stjärna, bara en niondel av avståndet mellan Merkurius och solen, och slutför en krets var 3½ jorddag.

Kombinationen av stor storlek, kort omloppstid, svullnad atmosfär och bristen på förorenande ljus från objekt i närheten på himlen gör WASP-96 b till ett idealiskt mål för atmosfäriska observationer.

Den 21 juni mätte Webbs Near-Infrared Imager och Slitless Spectrograph (NIRISS) ljus från WASP-96-systemet i 6,4 timmar när planeten rörde sig över stjärnan. Resultatet är en ljuskurva som visar den övergripande dämpningen av stjärnljus under transiteringen, och ett transmissionsspektrum som avslöjar ljusstyrkan för individuella våglängder av infrarött ljus mellan 0,6 och 2,8 mikron.

Medan ljuskurvan bekräftar egenskaper hos planeten som redan hade bestämts från andra observationer - planetens existens, storlek och omloppsbana - avslöjar transmissionsspektrumet tidigare dolda detaljer om atmosfären:vattnets entydiga signatur, indikationer på dis, och bevis på moln som man trodde inte existerade baserat på tidigare observationer.

Ett transmissionsspektrum görs genom att jämföra stjärnljus som filtreras genom en planets atmosfär när det rör sig över stjärnan med det ofiltrerade stjärnljuset som upptäcks när planeten är bredvid stjärnan. Forskare kan upptäcka och mäta mängden nyckelgaser i en planets atmosfär baserat på absorptionsmönstret - placeringen och höjden av toppar på grafen. På samma sätt som människor har distinkta fingeravtryck och DNA-sekvenser, har atomer och molekyler karakteristiska våglängdsmönster som de absorberar.

Spektrumet av WASP-96 b fångat av NIRISS är inte bara det mest detaljerade nära-infraröda transmissionsspektrumet av en exoplanetatmosfär som hittills fångats, utan det täcker också ett anmärkningsvärt brett spektrum av våglängder, inklusive synligt rött ljus och en del av spektrumet som inte tidigare varit tillgänglig från andra teleskop (våglängder längre än 1,6 mikron). Denna del av spektrumet är särskilt känslig för vatten såväl som andra nyckelmolekyler som syre, metan och koldioxid, som inte är omedelbart uppenbara i WASP-96 b-spektrumet men som borde kunna detekteras i andra exoplaneter planerade för observation av Webb .

Forskare kommer att kunna använda spektrumet för att mäta mängden vattenånga i atmosfären, begränsa mängden olika element som kol och syre och uppskatta atmosfärens temperatur med djup. De kan sedan använda denna information för att dra slutsatser om planetens övergripande sammansättning, såväl som hur, när och var den bildades. Den blå linjen på grafen är en modell som passar bäst som tar hänsyn till data, de kända egenskaperna hos WASP-96 b och dess stjärna (t.ex. storlek, massa, temperatur) och antagna egenskaper hos atmosfären.

De exceptionella detaljerna och klarheten i dessa mätningar är möjliga tack vare Webbs toppmoderna design. Dess 270 kvadratmeter guldbelagda spegel samlar in infrarött ljus effektivt. Dess precisionsspektrografer sprider ljus i regnbågar med tusentals infraröda färger. Och dess känsliga infraröda detektorer mäter extremt subtila skillnader i ljusstyrka. NIRISS kan upptäcka färgskillnader på endast cirka en tusendels mikron (skillnaden mellan grönt och gult är cirka 50 mikron), och skillnader i ljusstyrka mellan dessa färger på några hundra delar per miljon.

Dessutom ger Webbs extrema stabilitet och dess omloppsbana runt Lagrange Point 2, ungefär en miljon mil bort från de förorenande effekterna av jordens atmosfär, en oavbruten vy och rena data som kan analyseras relativt snabbt.

Det utomordentligt detaljerade spektrumet – gjort genom att samtidigt analysera 280 individuella spektra som fångats under observationen – ger bara en fingervisning om vad Webb har i beredskap för exoplanetforskning. Under det kommande året kommer forskare att använda spektroskopi för att analysera ytorna och atmosfären på flera dussin exoplaneter, från små steniga planeter till gas- och isrika jättar. Nästan en fjärdedel av Webbs observationstid i cykel 1 är avsatt för att studera exoplaneter och materialet som bildar dem.

Denna NIRISS-observation visar att Webb har kraften att karakterisera exoplaneternas atmosfärer – inklusive de hos potentiellt beboeliga planeter – i utsökt detalj. + Utforska vidare

Webbs NIRISS-instrument är redo att se kosmos i över 2 000 infraröda färger