James Webb Space Telescope har tagit sina första direkta bilder av koldioxid i en planet utanför solsystemet i HR 8799, ett multiplanetärt system 130 ljusår bort som länge har varit ett viktigt mål för planetbildningsstudier.
Observationerna ger starka bevis för att systemets fyra jätteplaneter bildades på ungefär samma sätt som Jupiter och Saturnus, genom att långsamt bygga upp solida kärnor. De bekräftar också att Webb kan göra mer än att dra slutsatser om atmosfärens sammansättning från mätningar av stjärnljus – den kan direkt analysera kemin i exoplaneters atmosfärer.
”Genom att upptäcka dessa starka koldioxidinslag har vi visat att det finns en betydande andel tyngre element, såsom kol, syre och järn, i dessa planeters atmosfärer. Med tanke på vad vi vet om stjärnan de kretsar kring tyder det sannolikt på att de bildades via kärnackretion, vilket för planeter som vi direkt kan se är en spännande slutsats”, säger William Balmer, astrofysiker vid Johns Hopkins University, som ledde arbetet.
En analys av observationerna, som även inkluderade ett system 96 ljusår bort kallat 51 Eridani, publiceras i The Astrophysical Journal.
HR 8799 är ett ungt system som är ca 30 miljoner år gammalt, en bråkdel av vårt solsystems 4,6 miljarder år. HR 8799-planeterna är fortfarande varma från sin våldsamma bildning och avger stora mängder infrarött ljus som ger forskarna värdefulla data om hur deras bildning kan jämföras med den hos stjärnor eller bruna dvärgar.
Jätteplaneter kan bildas på två sätt: genom att långsamt bygga upp solida kärnor som drar till sig gas, som vårt solsystem, eller genom att snabbt kollapsa från en ung stjärnas kylskiva till massiva objekt. Att veta vilken modell som är vanligast kan ge forskare ledtrådar för att skilja mellan de typer av planeter de hittar i andra system.
”Vår förhoppning med den här typen av forskning är att förstå vårt eget solsystem, livet och oss själva i jämförelse med andra exoplanetära system, så att vi kan sätta vår existens i ett sammanhang”, säger Balmer. ”Vi vill ta bilder av andra solsystem och se hur de liknar eller skiljer sig från vårt. Utifrån det kan vi försöka få en uppfattning om hur konstigt vårt solsystem egentligen är – eller hur normalt.”
Väldigt få exoplaneter har avbildats direkt, eftersom avlägsna planeter är många tusen gånger ljussvagare än sina stjärnor. Genom att ta direkta bilder vid specifika våglängder som endast är tillgängliga med Webb, banar teamet väg för mer detaljerade observationer för att avgöra om de objekt som de ser kretsa kring andra stjärnor verkligen är jätteplaneter eller objekt som bruna dvärgar, som bildas som stjärnor men inte samlar tillräckligt med massa för att antända kärnfusion.
Webb tog den här bilden av Eridani 51 b, en sval, ung exoplanet som kretsar 11 miljarder kilometer från sin stjärna. Den här bilden innehåller filter som representerar 4,1-mikronljus som rött. Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI, W. Balmer (JHU), L. Pueyo (STScI), M. Perrin (STScI)
”Vi har andra bevis som tyder på att dessa fyra HR 8799-planeter bildades med hjälp av denna bottom-up-strategi”, säger Laurent Pueyo, astronom vid Space Telescope Science Institute som ledde arbetet.
”Hur vanligt är detta för planeter med långa perioder som vi direkt kan avbilda? Vi vet inte än, men vi föreslår fler Webb-observationer, inspirerade av vår koldioxiddiagnostik, för att besvara den frågan.”
Denna prestation möjliggjordes av Webbs koronagrafer, som blockerar ljuset från starka stjärnor, vilket sker vid en solförmörkelse, för att avslöja annars dolda världar. Detta gjorde det möjligt för teamet att leta efter infrarött ljus i våglängder som avslöjar specifika gaser och andra atmosfäriska detaljer.
Genom att rikta in sig på våglängdsområdet 3-5 mikrometer fann teamet att de fyra HR 8799-planeterna innehåller fler tunga element än man tidigare trott, vilket är ytterligare en antydan om att de bildades på samma sätt som vårt solsystems gasjättar.
Observationerna visade också den första upptäckten någonsin av den innersta planeten, HR 8799 e, vid en våglängd på 4,6 mikrometer, och 51 Eridani b vid 4,1 mikrometer, vilket visar på Webbs känslighet när det gäller att observera svaga planeter nära ljusa stjärnor.
År 2022 upptäckte en av Webbs viktigaste observationstekniker indirekt koldioxid i en annan exoplanet, kallad WASP-39 b, genom att spåra hur dess atmosfär förändrade stjärnljuset när den passerade framför sin stjärna.
”Det här är vad forskare har gjort för transiterande planeter eller isolerade bruna dvärgar sedan JWST lanserades”, säger Pueyo.
Rémi Soummer, som är chef för Optics Laboratory vid Space Telescope Science Institute och tidigare ledde Webbs koronagrafverksamhet, tillade: ”Vi visste att JWST kunde mäta färgerna på de yttre planeterna i direktavbildade system. Vi har väntat i 10 år på att få bekräftat att vår finjusterade drift av teleskopet också skulle göra det möjligt för oss att komma åt de inre planeterna.
”Nu har vi fått resultaten och vi kan göra intressant vetenskap med dem.”
Teamet hoppas kunna använda Webbs koronagrafer för att analysera fler jätteplaneter och jämföra deras sammansättning med teoretiska modeller.
”De här jätteplaneterna har ganska stora implikationer”, säger Balmer.
”Om du har dessa enorma planeter som beter sig som bowlingklot som springer genom ditt solsystem kan de antingen verkligen störa, skydda eller göra lite av båda för planeter som vår, så att förstå mer om deras bildning är ett avgörande steg för att förstå bildandet, överlevnaden och beboeligheten hos jordliknande planeter i framtiden.”
För mer information: JWST-TST med hög kontrast: Living on the Wedge, or, NIRCam Bar Coronagraphy Reveals CO2 in the HR 8799 and 51 Eri Exoplanets’ Atmospheres, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-3881/adb1c6
