Podróż Webba mająca na celu zrozumienie dziwnej atmosfery odległego świata

Naukowcy korzystający z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wykryli różnice atmosferyczne na egzoplanecie WASP-39 b, ujawniając wahania temperatury i wyjątkowe zachmurzenie na jej półkulach połączonych pływowo. Planeta, która jest mniej więcej wielkości Jowisza i znajduje się bardzo blisko Saturna, wydaje się cieplejsza po swojej wieczornej stronie w porównaniu do porannej, ze względu na silną cyrkulację atmosferyczną. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Analiza widmowa Terminatora w bliskiej podczerwieni potwierdza różnice w atmosferze porannej i wieczornej.

od pierwszego pozaziemski Odkryte w 1992 roku tysiące planet krążących wokół gwiazd poza Układem Słonecznym zostały potwierdzone niezliczoną ilością różnych metod, w tym obrazowaniem bezpośrednim, mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym, pomiarami tranzytów i astrofizyką. Z biegiem lat techniki badania tych egzoplanet ewoluowały, a astronomowie dowiadują się więcej o układach atmosferycznych tych odległych światów.

NASAS Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Badania te w dalszym ciągu rozwijają tę dziedzinę i pogłębiają naszą wiedzę na temat różnorodności egzoplanet i ich atmosfer.

Najnowszy? Sieć umożliwiła astronomom analizowanie różnic atmosferycznych między porankiem a wieczorem na egzoplanecie zablokowanej pływowo – co jest niesamowitym wyczynem jak na świat tak odległy jak WASP-39 b, 700 lat świetlnych od Ziemi.

Koncepcja artysty pokazuje, jak mogłaby wyglądać egzoplaneta WASP-39 b, na podstawie pośrednich obserwacji tranzytu z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba oraz innych teleskopów kosmicznych i naziemnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Web Space Telescope obserwuje wieczne wschody i zachody słońca na odległych światach

Naukowcy korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w końcu potwierdzili to, co przewidywały wcześniej modele: egzoplaneta ma różnice pomiędzy swoją wieczną atmosferą poranną i wieczną wieczorną. Gigantyczna planeta o średnicy 1,3 razy większej niż WASP-39 b CzwartekAle podobna masa sob Krąży wokół gwiazdy znajdującej się około 700 lat świetlnych od Ziemi i jest powiązany pływowo ze swoją gwiazdą macierzystą. Oznacza to, że ma stały dzień i stałą noc – jedna strona planety jest zawsze wystawiona na działanie swojej gwiazdy, podczas gdy druga jest zawsze spowita ciemnością.

Korzystając ze spektrometru bliskiej podczerwieni (NIRSpec) Webba, astronomowie potwierdzili różnicę temperatur między wiecznym porankiem a wiecznym wieczorem na WASP-39 b, przy czym wieczór wydawał się być o około 300 stopni cieplejszy. Fahrenheita stopni (około 200 Celsjusz stopni). Znaleźli także dowody na różne zachmurzenie – poranna część planety była zawsze bardziej zachmurzona niż wieczór.

Ta animacja opisuje, jak Webb wykorzystuje spektroskopię transmisyjną do badania atmosfer odległych planet. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Postępy w badaniach atmosfery egzoplanet

Astronomowie przeanalizowali widmo transmisyjne od 2 do 5 mikronów WASP-39 b, technikę stosowaną do badania terminatora egzoplanety, granicy oddzielającej dzień i noc planety. Widmo transmisji tworzone jest poprzez porównanie światła gwiazd przefiltrowanego przez atmosferę planety poruszającej się przed gwiazdą z niefiltrowanym światłem gwiazd wykrytym, gdy planeta znajduje się blisko 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 kluczową do badania atmosfer egzoplanet za pośrednictwem sieci” – powiedział badacz egzoplanet Nestor Espinosa. Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych i główny autor badania. „Ma bardzo puszystą atmosferę, więc sygnał światła gwiazd przefiltrowany przez atmosferę planety jest bardzo silny”.

Krzywa blasku z NIRSpec (widmo bliskiej podczerwieni) należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pokazuje zmianę jasności układu gwiazd WASP-39 w czasie, gdy planeta przechodzi przez gwiazdę. Obserwacji dokonano przy użyciu trybu szeregów czasowych jasnych obiektów NIRSpec, który wykorzystuje siatkę do rozpraszania światła z jasnego obiektu (takiego jak gwiazda macierzysta WASP-39 b) i mierzy jasność każdej długości fali w określonych odstępach czasu. Czas. Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Informacje o temperaturze i składzie atmosfery

Wcześniej opublikowane widma sieciowe atmosfery WASP-39b ujawniły obecność dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, pary wodnej i sodu, wskazując pełną granicę dnia i nocy – bez skomplikowanych prób rozróżnienia jednej strony od drugiej.

Nowa analiza daje teraz dwa różne widma z obszaru terminatora, zasadniczo dzieląc granicę dnia i nocy na dwa półkola, jedno od wieczora, a drugie od poranka. Dane pokazują, że wieczór jest gorętszy i wynosi około 800 stopni Celsjusza, a poranek jest stosunkowo chłodniejszy i osiąga temperaturę 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 podczerwonego gwiazd blokowanego przez atmosferę gorącego gazowego giganta egzoplanety WASP-39 b. Widmo wyraźnie pokazuje obecność wody i dwutlenku węgla oraz wahania temperatury na egzoplanecie od rana do wieczora.
Nowa analiza widma transmisji WASP-39 b pokazuje, że stała granica dnia i nocy na egzoplanecie tworzy dwa różne widma, zasadniczo dzieląc ten obszar terminatora na dwa półkola, jeden od wieczora, a drugi od rana. Dane pokazują, że wieczorne temperatury są wyższe i wynoszą około 800 stopni Celsjusza, a poranki są stosunkowo chłodniejsze i wynoszą 600 stopni Celsjusza.
Niebieska i żółta linia to najlepiej dopasowany model, który uwzględnia znane właściwości WASP-39 b i jego gwiazdy (np. rozmiar, masę, temperaturę) oraz wywnioskowane właściwości atmosfery.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Skutki zmian temperatury

„Nasza zdolność analizowania tej niewielkiej różnicy jest naprawdę oszałamiająca i jest możliwa tylko dzięki czułości sieci w zakresie fal podczerwonych i jej bardzo stabilnym czujnikom fotometrycznym” – powiedziała Espinosa. „Każdy niewielki ruch w instrumencie lub obserwatorium podczas gromadzenia danych poważnie ograniczyłby naszą zdolność do dokonywania takiego wykrywania. Musi być niezwykle dokładny, a sieć właśnie taka jest.

Szczegółowe modelowanie uzyskanych danych umożliwia naukowcom zbadanie składu atmosfery WASP-39 b, zachmurzenia oraz tego, dlaczego wieczór jest ciepły. Chociaż przyszłe prace zespołu będą dotyczyć wpływu zachmurzenia na temperaturę, astronomowie potwierdzili, że główną przyczyną różnicy temperatur w WASP-39 b jest cyrkulacja gazu wokół planety.

Zrozumienie wzorców wiatrów planetarnych i dynamiki temperatury

W przypadku silnie promienistej egzoplanety, takiej jak WASP-39 b, która krąży bardzo blisko swojej gwiazdy, badacze zazwyczaj spodziewają się ruchu gazu, gdy planeta okrąża swoją gwiazdę: gorący gaz powstały za dnia musi z potężną siłą przejść przez noc. Równikowy strumień strumieniowy. Ponieważ różnica temperatur jest bardziej ekstremalna, różnica ciśnień powietrza będzie znacząca, powodując większą prędkość wiatru.

Wykorzystując ogólne modele cyrkulacji, czyli trójwymiarowe modele wykorzystywane do przewidywania pogody na Ziemi, naukowcy odkryli, że dominujące wiatry w WASP-39 b w ciągu dnia przemieszczają się od strony nocnej wokół terminatora porannego. Wieczorny terminator, potem cała noc. W rezultacie poranna strona terminatora jest chłodniejsza niż wieczorna. Innymi słowy, w nocy na stronę poranną nawiewane są wiatry chłodniejszego powietrza, natomiast w ciągu dnia na stronę wieczorną nawiewane są wiatry cieplejszego powietrza. Badania sugerują, że prędkość wiatru na WASP-39 b może sięgać tysięcy mil na godzinę!

Przyszłe kierunki badań i wczesny wkład naukowy Internetu

„Ta analiza jest naprawdę interesująca, ponieważ otrzymujesz informacje 3D, jakich nigdy wcześniej nie miałeś na planecie” – powiedział Espinosa. „Ponieważ wieczorem jest ciepło, to znaczy jest trochę upalnie. Teoretycznie więc w terminatorze znajduje się małe wybrzuszenie, które zbliża się do nocy planety.

Wyniki panelu publikowane są w czasopiśmie Natura.

W ramach projektu 3969 dla publiczności w ramach cyklu Web Cycle 2 naukowcy wykorzystają teraz tę samą metodę analityczną do badania zmian atmosferycznych innych gorących Jowiszów zablokowanych pływowo.

WASP-39 b to jeden z pierwszych celów analizowanych przez Webba, który w 2022 roku rozpocznie regularne operacje naukowe. Dane zawarte w tym badaniu zebrano w ramach projektu Early Launch Science Project 1366, który pomoże naukowcom szybko nauczyć się obsługi i realizacji instrumentów teleskopu. Pełny potencjał naukowy.

Odniesienie: „Inhomogenous Terminators on the Exoplanet WASP-39 b” autorstwa Néstora Espinozy, Marii E. Steinrueck, Jamesa Kirka, Ryana J. MacDonalda, Arjuna B. Savela, Kennetha Arnolda, Elizy M.-R. Kemptona, Matthew M. MurphyLudmila CaronMaria ZamiadinaDavid A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christian Helling, Zafar Rustamkulov, Vivian Parmentier, Erin M. Maj, Arin L. Carter, Ji Zhang, Mercedes Lopez-Morales, Natalie Allen, Jasmina Plessic, Leanne Dessin, Luigi Mancini, Karan Molaverticani, Benjamin V. Rackham, Enrique Balle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean. Crossfield, David Hagel, Eric Hebrat, Laura Kreitberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Louis Welbanks, Peter Wheatley, Raphael Brahm i Nicolas Creuset, 15 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) to duże obserwatorium kosmiczne wystrzelone 25 grudnia 2021 roku. Jest to wspólny projekt z udziałem NASA. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA). Jako następca nauki Kosmiczny teleskop Hubble, JWST został zaprojektowany w celu zapewnienia niespotykanej dotąd rozdzielczości i czułości w zakresie podczerwieni widma elektromagnetycznego. Ta zdolność pozwala astronomom badać każdą fazę historii kosmosu – od pierwszych błysków wielki wybuch, powstawanie układów słonecznych zdolnych do utrzymania życia na planetach podobnych do Ziemi oraz ewolucję 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.