Naukowcy korzystający z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odkryli różnice atmosferyczne na egzoplanecie WASP-39 b, ujawniając wahania temperatury i wyraźne zachmurzenie na jej półkulach połączonych pływowo. Planeta, wielkością podobną do Jowisza, ale masą bliższą Saturnowi, ma cieplejszą stronę wieczorną w porównaniu do strony porannej, co przypisuje się silnej cyrkulacji atmosferycznej. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Analiza widmowa terminatora w bliskiej podczerwieni potwierdza różnice w atmosferze porannej i wieczornej.
Od pierwszego egzoplaneta została odkryta w 1992 roku, tysiące planet krążących wokół gwiazd poza naszym Układem Słonecznym zostało potwierdzonych niezliczoną ilością różnych metod, w tym obrazowaniem bezpośrednim, mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym, pomiarami tranzytów i astrometrią. Z biegiem lat techniki badania tych egzoplanet ewoluowały, a astronomowie poznali szczegółowe informacje na temat składu atmosfery tych odległych światów.
NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w dalszym ciągu rozwija tę dziedzinę badań i pogłębia naszą wiedzę na temat różnorodności egzoplanet i ich atmosfer.
Najnowszy? Webb pozwolił astronomom przeanalizować różnice atmosferyczne między porankiem a wieczorem na egzoplanecie zablokowanej pływowo — niesamowite osiągnięcie dla odległego świata oddalonego o 700 lat świetlnych od Ziemi, takiego jak WASP-39 b.
Koncepcja artysty pokazuje, jak mogłaby wyglądać egzoplaneta WASP-39 b, na podstawie pośrednich obserwacji tranzytu z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, a także innych teleskopów kosmicznych i naziemnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Kosmiczny Teleskop Webba bada wieczne wschody i zachody słońca w odległym świecie
Naukowcy korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w końcu potwierdzili to, co przewidywały wcześniej modele: egzoplaneta ma różnice pomiędzy swoją wieczną poranną i wieczną wieczorną atmosferą. WASP-39 b, gigantyczna planeta o średnicy 1,3 razy większej niż Jowiszale masa podobna do Saturn krąży wokół gwiazdy oddalonej o około 700 lat świetlnych od Ziemi, jest pływowo powiązany ze swoją gwiazdą macierzystą. Oznacza to, że ma stałą stronę dzienną i stałą nocną – jedna strona planety jest zawsze wystawiona na działanie swojej gwiazdy, podczas gdy druga jest zawsze spowita ciemnością.
Korzystając z spektrografu bliskiej podczerwieni (NIRSpec) Webba, astronomowie potwierdzili różnicę temperatur między wiecznym porankiem a wiecznym wieczorem na WASP-39 b, przy czym wieczór wydawał się cieplejszy o około 300 Fahrenheita stopni (około 200 Celsjusz stopni). Znaleźli także dowody na różne zachmurzenie, przy czym wiecznie poranna część planety była prawdopodobnie bardziej zachmurzona niż wieczorem.
Ta animacja opisuje, jak Webb wykorzystuje spektroskopię transmisyjną do badania atmosfer odległych egzoplanet. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak
Postępy w badaniach atmosfery egzoplanet
Astronomowie przeanalizowali widmo transmisji od 2 do 5 mikronów WASP-39 b, technikę badającą terminator egzoplanety, granicę oddzielającą dzień i noc planety. Widmo transmisji tworzy się poprzez porównanie światła gwiazd przefiltrowanego przez atmosferę planety poruszającej się przed gwiazdą z niefiltrowanym światłem gwiazdy wykrytym, gdy planeta znajduje się obok gwiazdy. Dokonując tego porównania, badacze mogą uzyskać informacje na temat temperatury, składu i innych właściwości atmosfery planety.
„WASP-39 b stała się swego rodzaju planetą wzorcową w badaniach atmosfery egzoplanet za pomocą Webba” – powiedział Néstor Espinoza, badacz egzoplanet w Centrum Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych i główny autor badania. „Ma nadmuchaną, puszystą atmosferę, więc sygnał pochodzący ze światła gwiazd przefiltrowanego przez atmosferę planety jest dość silny”.
Krzywa blasku z spektrografu NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni) należącego do Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pokazuje zmianę jasności układu gwiazd WASP-39 w czasie, gdy planeta przechodzi przez gwiazdę. Obserwacji tej dokonano przy użyciu trybu szeregów czasowych jasnego obiektu NIRSpec, który wykorzystuje siatkę do rozproszenia światła z pojedynczego jasnego obiektu (takiego jak gwiazda macierzysta WASP-39 b) i mierzy jasność każdej długości fali światła w ustalonych odstępach czasu czas. Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Informacje o temperaturze i składzie atmosfery
Opublikowane wcześniej widma Webba atmosfery WASP-39b, które ujawniły obecność dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, pary wodnej i sodu, reprezentują całą granicę dnia i nocy – nie podjęto szczegółowej próby rozróżnienia pomiędzy jedną a drugą stroną.
Nowa analiza pozwoliła na utworzenie dwóch różnych widm z obszaru terminatora, zasadniczo dzieląc granicę dnia i nocy na dwa półkola, jedno z wieczora, a drugie z poranka. Dane pokazują, że wieczór był znacznie gorętszy – temperatura sięgała 800 stopni Celsjusza, a poranek był stosunkowo chłodniejszy – 600 stopni Celsjusza.
To widmo transmisyjne, zarejestrowane za pomocą teleskopu Webba NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) PRISM w trybie szeregów czasowych jasnych obiektów, pokazuje ilość światła gwiazd w bliskiej podczerwieni blokowanego przez atmosferę gorącego gazowego giganta egzoplanety WASP-39 b. Widmo pokazuje wyraźne dowody na obecność wody i dwutlenku węgla oraz wahania temperatury na egzoplanecie pomiędzy porankiem a wieczorem.
Nowa analiza widma transmisyjnego WASP-39 b pozwoliła na utworzenie dwóch różnych widm ze stacjonarnej granicy dnia i nocy na egzoplanecie, zasadniczo dzieląc ten obszar terminatora na dwa półkola, jedno z wieczora, a drugie z poranka. Dane pokazują, że wieczór był znacznie gorętszy – temperatura sięgała 800 stopni Celsjusza, a poranek był stosunkowo chłodniejszy – 600 stopni Celsjusza.
Niebieska i żółta linia to najlepiej dopasowany model, który uwzględnia dane, znane właściwości WASP-39 b i jego gwiazdy (np. rozmiar, masę, temperaturę) oraz zakładane cechy atmosfery.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Konsekwencje zmian temperatury
„To naprawdę zdumiewające, że jesteśmy w stanie przeanalizować tę niewielką różnicę, a jest to możliwe tylko dzięki czułości Webba w zakresie fal bliskiej podczerwieni i jego niezwykle stabilnym czujnikom fotometrycznym” – stwierdził Espinoza. „Każdy niewielki ruch instrumentu lub obserwatorium podczas zbierania danych poważnie ograniczyłby naszą zdolność do dokonania takiego wykrycia. Musi być niezwykle precyzyjny i Webb taki właśnie jest.”
Rozbudowane modelowanie uzyskanych danych umożliwia także badaczom zbadanie struktury atmosfery WASP-39 b, zachmurzenia i tego, dlaczego wieczory są cieplejsze. Podczas gdy przyszłe prace zespołu będą dotyczyć wpływu zachmurzenia na temperaturę i odwrotnie, astronomowie potwierdzili, że cyrkulacja gazu wokół planety jest główną przyczyną różnicy temperatur na WASP-39 b.
Zrozumienie wzorców wiatrów planetarnych i dynamiki temperatury
Na silnie napromieniowanej egzoplanecie, takiej jak WASP-39 b, która krąży stosunkowo blisko swojej gwiazdy, badacze na ogół spodziewają się, że gaz będzie się poruszał, gdy planeta obraca się wokół swojej gwiazdy: gorętszy gaz ze strony dziennej powinien przemieszczać się wieczorem na stronę nocną poprzez potężną równikowy strumień strumieniowy. Ponieważ różnica temperatur jest tak ogromna, różnica ciśnień powietrza również byłaby znacząca, co z kolei spowodowałoby duże prędkości wiatru.
Korzystając z ogólnych modeli cyrkulacji, trójwymiarowych modeli podobnych do tych używanych do przewidywania wzorców pogody na Ziemi, badacze odkryli, że na WASP-39 b przeważające wiatry prawdopodobnie przemieszczają się od strony nocnej przez terminator poranny, po stronie dziennej, przez wieczorny terminator, a potem po stronie nocnej. W rezultacie poranna strona terminatora jest chłodniejsza niż wieczorna. Innymi słowy, w stronę poranną napływają wiatry powietrza ochłodzone po stronie nocnej, natomiast na stronę wieczorną napływają wiatry powietrza ogrzanego po stronie dziennej. Badania sugerują, że prędkość wiatru na WASP-39 b może sięgać tysięcy mil na godzinę!
Przyszłe kierunki badań i wczesny wkład Webba w naukę
„Ta analiza jest również szczególnie interesująca, ponieważ otrzymujesz informacje 3D na temat planety, których wcześniej nie otrzymywałeś” – dodał Espinoza. „Ponieważ możemy stwierdzić, że wieczorna krawędź jest cieplejsza, oznacza to, że jest trochę bardziej puchata. Zatem teoretycznie na terminatorze zbliżającym się do nocnej strony planety występuje niewielkie falowanie.”
Wyniki zespołu zostały opublikowane w czasopiśmie Natura.
Naukowcy będą teraz starali się zastosować tę samą metodę analizy do badania różnic atmosferycznych w innych gorących Jowiszach zablokowanych pływowo w ramach Programu 3969 dla obserwatorów ogólnych Webba Cycle 2.
WASP-39 b był jednym z pierwszych celów analizowanych przez Webba, gdy rozpoczął regularne działania naukowe w 2022 r. Dane w tym badaniu zebrano w ramach programu Early Release Science 1366, którego celem było pomóc naukowcom szybko nauczyć się korzystać z instrumentów teleskopu i uświadomić sobie jego pełen potencjał naukowy.
Odniesienie: „Niejednorodne terminatory na egzoplanecie WASP-39 b” autorstwa Néstora Espinozy, Marii E. Steinrueck, Jamesa Kirka, Ryana J. MacDonalda, Arjuna B. Savela, Kennetha Arnolda, Elizy M.-R. Kempton, Matthew M. Murphy, Ludmila Carone, Maria Zamyatina, David A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christiane Helling, Zafar Rustamkulov, Vivien Parmentier, Erin M. May, Aarynn L. Carter, Xi Zhang, Mercedes López-Morales, Natalie Allen, Jasmina Blecic, Leen Decin, Luigi Mancini, Karan Molaverdikhani, Benjamin V. Rackham, Enric Palle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean, Ian JM Crossfield, David Haegele, Eric Hébrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm i Nicolas Crouzet, 15 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) to duże kosmiczne obserwatorium wystrzelone 25 grudnia 2021 r. To wspólny projekt z udziałem NASA, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA). Jako naukowy następca Kosmiczny teleskop Hubble, JWST został zaprojektowany w celu zapewnienia niespotykanej dotąd rozdzielczości i czułości w zakresie podczerwieni widma elektromagnetycznego. Możliwość ta pozwala astronomom badać każdą fazę historii kosmosu – od pierwszych poświat Wielki Wybuch, do powstania układów słonecznych zdolnych do utrzymania życia na planetach takich jak Ziemia, do ewolucji naszego własnego Układu Słonecznego. Umieszczony w drugim punkcie Lagrange’a (L2) JWST będzie badał szeroki zakres zagadnień naukowych, pomagając odkryć nowy wgląd w strukturę i pochodzenie wszechświata.
