James Webb teleskopet upptäcker vatten, svaveldioxid och sandmoln runt en närbelägen exoplanet

Astronomer över hela världen utnyttjar nu James Webb Space Telescope (JWST) och de möjligheter som MIRI (Mid-Infrared Instrument) ger för att genomföra banbrytande observationer av exoplaneter – planeter som kretsar kring stjärnor andra än vår egen sol. En av dessa fascinerande världar är WASP-107b, en unik gasjätteplanet som kretsar kring en stjärna något svalare och mindre massiv än vår egen sol. Planetens massa är jämförbar med Neptunus, men dess storlek är mycket större, nästan som Jupiter. Denna egenskap gör atmosfären hos WASP-107b ganska 'fluffig' jämfört med gasjättarna i vårt solsystem, och möjliggör för astronomer titta djupare in i dess atmosfär jämfört med en Jupiterliknande planet.

Observationerna avslöjar den komplexa kemiska sammansättningen hos atmosfären. Orsaken till framgången är att signalerna blir mer framträdande i en mindre tät atmosfär jämfört med en mer kompakt. Studien, nu publicerad i Nature, avslöjar närvaron av vattenånga, svaveldioxid (SO2) och silikatmoln, men märkbart inga spår av växthusgasen metan (CH4).

Dessa upptäckter ger viktiga insikter om atmosfären och kemin hos denna fängslande exoplanet. För det första antyder frånvaron av metan att planetens inre är mycket varmt. För det andra är upptäckten av svaveldioxid (känt som lukten av brända tändstickor) en överraskning. Nya modeller visar nu att just fluffigheten hos WASP-107b möjliggör bildandet av svaveldioxid i dess atmosfär. Även om den stjärna runt vilken WASP-107b kretsar avger väldigt lite UV strålning, på grund av sin svalare natur, kan strålning nå djupt in i planetens atmosfär tack vare dess fluffiga natur. Detta möjliggör de kemiska reaktioner som krävs för att producera svaveldioxid.

De spektrala signaturerna av svaveldioxid och vattenånga är dock svagare än vad de skulle vara om atmosfären vore molnfri. Moln på hög höjd skymmer delvis vattenånga och svaveldioxid i atmosfären. Medan förekomsten av moln har antytts på andra exoplaneter, är detta det första fallet där den kemiska sammansättningen av sådana moln har kunnat bestämmas. I detta fall består molnen av små silikatpartiklar, ett för människan mycket bekant ämne då det är huvudbeståndsdelen i sand.

"JWST revolutionerar karakteriseringen av exoplaneter och ger oöverträffade insikter med en anmärkningsvärd hastighet", säger huvudförfattare Achrene Dyrek vid CEA i Frankrike. "Upptäckten med MIRI av moln av sand, vatten och svaveldioxid på denna exoplanet är en avgörande milstolpe. Den omformar vår förståelse för planetbildning och kastar nytt ljus över vårt eget solsystem."

I motsats till jordens atmosfär, där vatten fryser vid låga temperaturer, kan silikatpartiklar i jätteplaneter nå temperaturer på cirka 1000 grader Celsius och frysa ut för att bilda moln. Men i fallet med WASP-107b, med en temperatur på cirka 500 grader Celsius i den yttre atmosfären, förutsade traditionella modeller att dessa silikatmoln borde bildas djupare in i atmosfären, där temperaturen är betydligt högre. Dessutom ”regnar” sandmoln ut högt upp i atmosfären. Hur är det då möjligt att dessa sandmoln kan bestå?

Detta liknar vattenångans molncykel på vår egen jord men här med droppar av sand

"Det faktum att vi ser dessa sandmoln högt upp i atmosfären måste betyda att sanddropparna avdunstar i djupare, mycket heta skikt, varvid den resulterande silikatångan transporteras uppåt, där den kondenserar och bildar moln. Detta liknar vattenångans molncykel på vår egen jord men här med droppar av sand", säger Göran Östlin, professor vid Stockholms universitet och en av forskarna bakom studien.
MIRI har konstruerats av ett konsortium av Europeiska (från Belgien, Danmark, Frankrike, Irland, Nederländerna, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tyskland  och Österike) och Amerikanska forskningsinstitut. Från Sverige har forskare från Stockholms universitet och Chalmers varit inblandade, och det svenska bidraget har finansierats av Rymdstyrelsen samt Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.