Ciência da Liberação Antecipada do exoplaneta WASP

Nature volume 614, páginas 659–663 (2023) Citar este artigo

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A espectroscopia de transmissão1,2,3 de exoplanetas revelou assinaturas de vapor de água, aerossóis e metais alcalinos em algumas dezenas de atmosferas de exoplanetas4,5. No entanto, essas inferências anteriores com os Telescópios Espaciais Hubble e Spitzer foram prejudicadas pela faixa de comprimento de onda relativamente estreita das observações e poder de resolução espectral, que impediu a identificação inequívoca de outras espécies químicas - em particular as moléculas primárias contendo carbono6,7. Aqui, relatamos um espectro de transmissão atmosférica de 0,5–5,5 µm de comprimento de onda largo de WASP-39b8, um exoplaneta de 1.200 K, aproximadamente massa de Saturno, raio de Júpiter, medido com o modo PRISM9 do JWST NIRSpec como parte do JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Programa Equipe de Ciências10,11,12. Detectamos de forma robusta várias espécies químicas com alta significância, incluindo Na (19σ), H2O (33σ), CO2 (28σ) e CO (7σ). A não detecção de CH4, combinada com uma forte característica de CO2, favorece modelos atmosféricos com metalicidade atmosférica supersolar. Uma característica de absorção imprevista em 4 µm é melhor explicada pelo SO2 (2,7σ), que pode ser um marcador da fotoquímica atmosférica. Essas observações demonstram a sensibilidade do JWST a uma rica diversidade de composições de exoplanetas e processos químicos.

Observamos um trânsito de WASP-39b em 10 de julho de 2022 com o Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec)9,13 do JWST, usando o modo PRISM, como parte do JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program (ERS Program 1366) (PIs: Natalie Batalha, Jacob Bean, Kevin Stevenson)10,11. Essas observações cobrem a faixa de comprimento de onda de 0,5–5,5 µm com um poder de resolução nativo de 20–300. O WASP-39b foi selecionado para este programa JWST-ERS devido a observações anteriores baseadas no espaço e no solo, revelando forte absorção de metais alcalinos e várias bandas proeminentes de H2O4,6,14,15,16, sugerindo que uma forte relação sinal-ruído poderia ser obtido com JWST. No entanto, a faixa limitada de comprimento de onda dos espectros de transmissão existentes (0,3–1,65 µm, combinada com dois canais fotométricos largos do Spitzer em 3,6 e 4,5 µm) deixou várias questões importantes sem solução. Estimativas anteriores da metalicidade atmosférica do WASP-39b - uma medida da abundância relativa de todos os gases mais pesados ​​que o hidrogênio ou o hélio - variam em quatro ordens de magnitude6,16,17,18,19,20. Determinações precisas de metalicidade podem explicar os caminhos da formação e fornecer uma visão mais ampla da história do planeta21. As observações do JWST NIRSpec PRISM que apresentamos aqui oferecem uma visão mais detalhada da composição atmosférica do WASP-39b do que era possível anteriormente (consulte a ref. 21 para uma análise infravermelha inicial desses dados).

Obtivemos espectroscopia de séries temporais ao longo de 8,23 h centradas em torno do evento de trânsito para extrair a absorção dependente do comprimento de onda pela atmosfera do planeta - ou seja, o espectro de transmissão, que sonda a região do terminador diurno-noturno do planeta perto de pressões de milibares. Usamos o NIRSpec PRISM no modo Bright Object Time Series (BOTS). WASP-39 é uma estrela brilhante, próxima, relativamente inativa do tipo 22 G7 com uma temperatura efetiva de 5.400 K (ref. 8). A magnitude da banda J do WASP-39 de 10,66 o coloca perto do limite de saturação do PRISM, o que nos permite testar os efeitos da saturação na qualidade da ciência resultante em comparação com medições anteriores (Métodos).

Em nossa redução de linha de base usando Fast InfraRed Exoplanet Fitting for Lightcurves (FIREFLy)23, realizamos calibrações nos dados brutos usando o jwst Python pipeline12 e, em seguida, identificamos e corrigimos pixels ruins e raios cósmicos. Mitigamos o ruído 1/f9 no nível do grupo em vez do nível de integração para garantir o ajuste preciso da inclinação, que consideramos ser uma etapa crucial para observações NIRSpec PRISM com poucos grupos por integração.

Nós agrupamos a espectrofotometria resultante em comprimento de onda para criar 207 canais espectrais de largura variável com contagens aproximadamente iguais em cada um. A Figura 1 mostra as curvas de luz branca e espectrofotométrica do FIREFLy nesta etapa no painel superior. Várias características de absorção são visíveis a olho nu como faixas horizontais mais escuras dentro da região de trânsito na curva de luz bidimensional (2D) (Fig. 1), demonstrando a alta qualidade da espectrofotometria bruta obtida pelo modo de observação PRISM.