تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) موفق شده است نشانه‌هایی از آب را در جو یک سیاره دوردست و بیگانه شناسایی کند، بر اساس مطالعه‌ای که به‌تازگی منتشر شده است.
این سیاره خاص با نام TOI-421 b، یک «زیر-نپتون» سوزان و داغ است که به دور ستاره‌ای در فاصله‌ای حدود ۲۴۴ سال نوری از زمین می‌چرخد. جیمز وب به‌تازگی جو این سیاره را با دقت بررسی کرده است.
نویسندگان مقاله در The Astronomical Journal Letters که روز دوشنبه (۱۵ اردیبهشت) منتشر شد، نوشتند:
«یکی از هیجان‌انگیزترین افق‌های علم سیارات فراخورشیدی امروزه، کشف منشأ و ترکیب سیارات زیر-نپتونی است؛ سیاراتی که فراوانی بالایی دارند اما هیچ نمونه مشابهی در منظومه شمسی ما ندارند.»
اگرچه تلسکوپ جیمز وب به‌طور خاص برای چنین بررسی‌هایی طراحی شده، این کشف اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا اطلاعات بسیار کمی درباره این نوع سیارات وجود دارد. نخستین بار ناسا با تلسکوپ پیشگام کپلر این کلاس از سیارات را شناسایی کرد.
پیش از جیمز وب، تلاش‌ها برای بررسی جو سیارات زیر-نپتونی از طریق طیف‌سنجی عبوری (که شامل اندازه‌گیری نور ستاره هنگام عبور سیاره از مقابل آن است) معمولاً به طیف‌هایی صاف و بدون ویژگی منجر می‌شد.
به جای آن‌که نشانه‌های شیمیایی نشان‌دهنده مولکول‌هایی مانند دی‌اکسید کربن، متان یا بخار آب دیده شود، طیف این سیارات معمولاً اطلاعات خاصی ارائه نمی‌کرد. ستاره‌شناسان احتمال می‌دادند که این کمبود اطلاعات به‌دلیل وجود ابرها یا مه‌هایی باشد که سیگنال‌ها را می‌پوشانند.
اما تیم پژوهشی گمان می‌کردند که TOI-421 b ممکن است از این قاعده مستثنا باشد و فرصت منحصربه‌فردی فراهم کند.
الیزا کمپتون، استاد نجوم دانشگاه مریلند و محقق اصلی مطالعه گفت:
«چرا این سیاره، TOI-421 b را انتخاب کردیم؟ چون فکر می‌کردیم شاید این یکی مه نداشته باشد. داده‌های قبلی نشان می‌دادند که سیارات زیر-نپتونی در یک بازه دمایی خاص احتمالاً کمتر از مه یا ابر پوشیده شده‌اند.»
رصدهای قبلی با تلسکوپ فضایی هابل ناسا نشان داده بود که ویژگی‌های طیفی صاف در میان زیر-نپتون‌ها با دمای کمتر از حدود ۵۷۷ درجه سانتی‌گراد رایج است.
در مقاله آمده:
«انتظار می‌رود که زیر-نپتون‌های داغ‌تر از این آستانه نیز بدون مه باشند؛ زیرا در آن دما متان — پیش‌ماده اصلی تشکیل مه — کمتر و مونواکسید کربن مولکول غالب کربن‌دار می‌شود.»
TOI-421 b با دمای تقریبی ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد در این دسته «احتمالاً بدون مه» قرار می‌گیرد. تیم پژوهشی با مشاهده دو عبور سیاره‌ای با ابزارهای فروسرخ جیمز وب موفق شد نمایی غنی از جو آن را ثبت کند.
برایان داونپورت، دانشجوی دکترای دانشگاه مریلند و تحلیل‌گر اصلی داده‌ها گفت:
«ما ویژگی‌های طیفی‌ای را مشاهده کردیم که مربوط به گازهای مختلف بودند و همین به ما امکان داد ترکیب جو را تعیین کنیم.»
تیم پژوهشی موفق به شناسایی بخار آب در جو TOI-421 b شد و همچنین نشانه‌هایی از مونواکسید کربن و دی‌اکسید گوگرد یافت. جالب آن‌که هیچ نشانه‌ای از متان یا دی‌اکسید کربن دیده نشد. داده‌ها همچنین حاکی از وجود مقدار قابل توجهی هیدروژن در جو هستند.
برخی از این یافته‌ها با نظریه‌های پیشین درباره تشکیل و تحول سیارات زیر-نپتونی در تضادند.
کمپتون گفت:
«ما به‌تازگی با این ایده کنار آمده بودیم که چند زیر-نپتون نخستین که با جیمز وب بررسی شده بودند، جوهایی با مولکول‌های سنگین دارند، و این برایمان به نوعی انتظار عادی شده بود. اما حالا خلافش را دیدیم.»
این یعنی TOI-421 b ممکن است به شیوه‌ای متفاوت از زیر-نپتون‌های خنک‌تر مانند TOI-270 d که پیش‌تر بررسی شده بود، شکل گرفته و تحول یافته باشد.
جو سرشار از هیدروژن این سیاره جالب‌توجه است، چون شباهت زیادی به ترکیب شیمیایی ستاره میزبان خود دارد.
کمپتون افزود:
«اگر همان گازی که ستاره را ساخته، روی جو یک سیاره قرار دهید و آن را تا دمای پایین‌تر سیاره سرد کنید، همین ترکیب گازها را خواهید داشت. این فرآیند بیشتر شبیه سیارات غول‌پیکر منظومه شمسی ماست و با زیر-نپتون‌های دیگری که تاکنون با جیمز وب بررسی شده‌اند، تفاوت دارد.»
او در پایان گفت:
«تمام دوران کاری‌ام را منتظر جیمز وب بودم، تا بتوانیم جو این سیارات کوچک‌تر را واقعاً بررسی کنیم. با مطالعه جو آن‌ها، درک بهتری از نحوه شکل‌گیری و تحول زیر-نپتون‌ها به‌دست می‌آوریم — و بخشی از آن، فهمیدن این است که چرا این نوع سیارات در منظومه شمسی ما وجود ندارند.»
تلسکوپ جیمز وب برای نخستین بار موفق شده ویژگی‌های جو یک سیاره زیر-نپتونی داغ را با جزئیات آشکار کند و ترکیباتی چون بخار آب، مونواکسید کربن، دی‌اکسید گوگرد و مقدار زیاد هیدروژن را در آن شناسایی نماید.
این کشف نه‌تنها نشان‌دهنده‌ی توانمندی منحصر به‌فرد جیمز وب در بررسی جو سیارات کوچک‌تر است، بلکه درک دانشمندان از ساختار، ترکیب و تحول سیارات زیر-نپتونی را به چالش می‌کشد. برخلاف انتظار قبلی مبنی بر وجود جوهای سنگین و پرمه در این سیارات، TOI-421 b جو نسبتاً شفاف و غنی از هیدروژن دارد — ویژگی‌ای که آن را به سیارات غول‌پیکر منظومه شمسی شبیه‌تر می‌کند تا به زیر-نپتون‌های دیگر.
