Internetowe mapy pogodowe na egzoplanecie WASP-43b

WASP-43 b jest pochmurno w nocy i bezchmurnie w ciągu dnia, a wokół planety wirują tropikalne wiatry z prędkością 8000 km na godzinę.

Czasami NIE Znalezienie czegoś jest tak samo ekscytujące i satysfakcjonujące jak znalezienie tego. Weź gorące Jowisz Na przykład WASP-43B. Ten zamknięty pływowo świat ma wiecznie bardzo gorącą stronę dzienną i nieco chłodniejszą nocną. Astronomowie wykorzystujący Webba do mapowania temperatury i analizy atmosfery wokół planety spodziewają się wykrycia metanu, powszechnej cząsteczki węgla, po nocnej stronie. Ale najwyraźniej nic na to nie wskazuje. Dlaczego? Wynik sugeruje, że naddźwiękowe wiatry gorącego gazu wieją od strony dziennej, całkowicie odwracając atmosferę i zapobiegając reakcjom chemicznym, które mogłyby wytworzyć metan po nocnej stronie.

Ta krzywa blasku pokazuje zmianę jasności układu WASP-43 w czasie, gdy planeta krąży wokół gwiazdy. Ten typ krzywej blasku nazywany jest krzywą fazową, ponieważ obejmuje całą orbitę, czyli wszystkie fazy planety.
Ponieważ jest zablokowany pływowo, różne strony WASP-43b obracają się podczas obrotu. Układ wydaje się najjaśniejszy, gdy gorąca, dzienna strona jest zwrócona w stronę teleskopu, tuż przed i po wtórnym zaćmieniu, kiedy planeta przechodzi za gwiazdą. Układ staje się słabszy, gdy planeta kontynuuje swój obrót, a jej nocna strona okrąża horyzont. Po tranzycie, gdy planeta przechodzi przed gwiazdą, blokując część światła gwiazd, układ zapala się ponownie, gdy strona dzienna ponownie pojawia się w polu widzenia.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Uniwersytet w Leicester)

Kosmiczny Teleskop Webba mapuje pogodę na planecie oddalonej o 280 lat świetlnych

Został on z powodzeniem zastosowany przez międzynarodowy zespół badaczy NASA'S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Aby sporządzić mapę pogody na egzoplanecie olbrzyma z gorącym gazem WASP-43 b.

Precyzyjne, wielkoskalowe pomiary jasności światła średniej podczerwieni, w połączeniu z trójwymiarowymi modelami klimatu i wcześniejszymi obserwacjami z innych teleskopów, wskazują na grube, wysokie chmury pokrywające nocną stronę, czyste niebo po stronie dziennej i tropikalne wiatry o sile ponad 5000 stopni. mile wysokie. na godzinę mieszanie gazów atmosferycznych na całej planecie.

Śledztwo to tylko najnowszy dowód Egzoplaneta Nauka jest teraz możliwa dzięki niezwykłej zdolności Webba do pomiaru zmian temperatury i wykrywania gazów atmosferycznych w odległości bilionów mil.

„Gorący Jowisz” jest zablokowany pływowo

WASP-43 b to egzoplaneta typu „gorącego Jowisza”: rozmiarami podobnymi do Jowisza, złożona głównie z wodoru i helu i znacznie gorętsza niż którakolwiek z gigantycznych planet w naszym Układzie Słonecznym. Chociaż jego gwiazda jest mniejsza i chłodniejsza od Słońca, WASP-43 b krąży w odległości zaledwie 3,3 miliona mil, czyli mniej niż 1/25 odległości między Merkurym a Słońcem.

Przy tak wąskiej orbicie planeta jest zablokowana pływowo, z jednej strony stale oświetlonej, a drugiej pogrążonej w wiecznej ciemności. Chociaż strona nocna nigdy nie otrzymuje bezpośredniego promieniowania od gwiazdy, silne wiatry wschodnie przenoszą ciepło ze strony dziennej.

Od odkrycia w 2011 roku WASP-43 b obserwowano za pomocą kilku teleskopów, w tym należącego do NASA Teleskopu Hubble'a i wycofanego już Kosmicznego Teleskopu Spitzera.

„Dzięki Hubble'owi wyraźnie widać, że po dziennej stronie znajduje się para wodna. Zarówno Hubble, jak i Spitzer wykazały, że po nocnej stronie mogą pojawiać się chmury” – wyjaśnił Taylor Bell, badacz z Bay Area Environmental Research Institute i główny autor książki. badanie opublikowane 30 kwietnia w Astronomia przyrodnicza. „Ale potrzebowaliśmy dokładniejszych pomiarów Webba, aby faktycznie rozpocząć tworzenie bardziej szczegółowych map temperatury, zachmurzenia, wiatrów i składu atmosfery na całej planecie”.

Ten uproszczony diagram krzywej fazowej egzoplanety pokazuje zmianę ogólnej jasności układu gwiazda-planeta, gdy planeta okrąża gwiazdę. Układ wydaje się najjaśniejszy, gdy oświetlona część planety jest zwrócona w stronę teleskopu (pełna faza). Wydaje się przyćmiona, gdy większość ciemnej strony jest zwrócona w stronę teleskopu (nowa faza), gdy planeta blokuje część światła gwiazd (tranzyt) i gdy gwiazda blokuje światło planety (zaćmienie wtórne).
(U góry) Diagram przedstawiający zmianę fazy planety (ilości oświetlonej strony zwróconej w stronę teleskopu) podczas jej orbitowania wokół swojej gwiazdy.
(Na dole) Trójwymiarowy wykres pokazujący zmianę ogólnej jasności układu gwiezdnego i planety, gdy planeta okrąża swoją gwiazdę. Na tym wykresie, zwanym krzywą blasku, płaszczyzna pozioma przedstawia pozycję orbity, a oś pionowa oznacza jasność.
(Prawo) Pasek skali. Zarówno na schemacie orbity, jak i na krzywej blasku kolor wskazuje obserwowaną jasność gwiazdy + planety: od ciemnego fioletu (wykrywane jest mniej światła) do białego (wykrywane jest więcej światła).
Naukowcy wykorzystują krzywe fazowe do badania zmian współczynnika odbicia i temperatury planety wraz z długością geograficzną (z boku na bok), co może zapewnić wgląd w skład powierzchni i warunki atmosferyczne planety.
Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Andy James (STScI), Greg Bacon (STScI)

Mapowanie temperatury i wnioskowanie o pogodzie

Chociaż WASP-43 b jest zbyt mała, słaba i znajduje się zbyt blisko swojej gwiazdy, aby teleskop mógł ją widzieć bezpośrednio, jej krótki okres orbitowania wynoszący zaledwie 19,5 godziny sprawia, że ​​idealnie nadaje się do spektroskopii krzywych fazowych, techniki polegającej na pomiarze niewielkich zmian jasności gwiazdy. Układ gwiazd i planet Gdy planeta krąży wokół gwiazdy.

Ponieważ ilość światła średniej podczerwieni emitowanego przez obiekt zależy w dużej mierze od jego temperatury, dane dotyczące jasności zarejestrowane przez Webba można następnie wykorzystać do obliczenia temperatury planety.

Zespół wykorzystał instrument Webba MIRI (instrument średniej podczerwieni) do pomiaru światła z systemu WASP-43 co 10 sekund przez ponad 24 godziny. „Obserwując całą orbitę, byliśmy w stanie obliczyć temperaturę różnych stron planety krążących wokół horyzontu” – wyjaśnił Bell. „Na tej podstawie możemy zbudować przybliżoną mapę temperatur na całej planecie”.

Pomiary pokazują, że średnia temperatura po stronie dziennej wynosi około 2300 stopni F (1250 stopni Celsjusz) – wystarczająco gorący, aby utworzyć żelazo. Tymczasem nocna strona jest zauważalnie chłodniejsza i ma temperaturę 1100°F (600°C). Dane pomagają także określić położenie najgorętszego punktu planety („gorącego punktu”), który jest przesunięty nieco na wschód od punktu otrzymującego najwięcej promieniowania gwiazdowego, czyli miejsca, w którym gwiazda znajduje się najwyżej na niebie planety. Przesunięcie to spowodowane jest wiatrami naddźwiękowymi, które przemieszczają gorące powietrze na wschód.

„Fakt, że możemy w ten sposób mapować temperaturę, jest prawdziwym świadectwem wrażliwości i stabilności Webba” – powiedział współautor Michael Roman z Uniwersytetu w Leicester w Wielkiej Brytanii.

Do interpretacji mapy zespół wykorzystał złożone, trójwymiarowe modele atmosfery, takie jak te wykorzystywane do zrozumienia pogody i klimatu na Ziemi. Analiza pokazuje, że nocna strona może być pokryta grubą, wysoką warstwą chmur, która zapobiega ucieczce części światła podczerwonego w przestrzeń kosmiczną. W rezultacie strona nocna – choć bardzo gorąca – wydaje się ciemniejsza i chłodniejsza niż gdyby nie było chmur.

Ten zestaw map pokazuje temperaturę widocznej strony egzoplanety WASP-43 b z gorącym gazem, gdy planeta krąży wokół swojej gwiazdy. Temperatury obliczono na podstawie ponad 8000 pomiarów jasności światła średniej podczerwieni o średnicy od 5 do 12 mikronów, wykrytych z układu gwiazdowego i planety za pomocą MIRI (instrument średniej podczerwieni) na należącym do NASA Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba. Ogólnie rzecz biorąc, im cieplejszy jest obiekt, tym więcej emituje światła średniej podczerwieni. Zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Uniwersytet w Leicester)

Utrata metanu i silne wiatry

Szerokie spektrum światła średniej podczerwieni przechwycone przez Webba umożliwiło także pomiar ilości pary wodnej (H₂O) i metan (CH₄) na całej planecie. „Webb dał nam możliwość dokładnego poznania cząsteczek, które widzimy, i nałożył pewne ograniczenia na ich liczebność” – powiedziała współautorka Joanna Barstow z Open University w Wielkiej Brytanii.

Widma pokazują wyraźne oznaki pary wodnej zarówno po nocnej, jak i dziennej stronie planety, dostarczając dodatkowych informacji o tym, jak gęste są chmury i jak wysoko wznoszą się w atmosferze.

Co zaskakujące, dane również pokazują wyraźną różnicę strata Metan w dowolnym miejscu atmosfery. Chociaż strona dzienna jest zbyt gorąca, aby mógł istnieć metan (większość węgla musi występować w postaci tlenku węgla), metan powinien być stabilny i wykrywalny na chłodniejszej stronie nocnej.

„Fakt, że nie widzimy metanu, mówi nam, że WASP-43 b musi mieć wiatr o prędkości prawie 8000 km na godzinę” – wyjaśnił Barstow. „Gdyby wiatry wystarczająco szybko przeniosły gaz ze strony dziennej na nocną, a następnie z powrotem, nie byłoby wystarczająco dużo czasu, aby oczekiwane reakcje chemiczne wytworzyły wykrywalne ilości metanu po stronie nocnej”.

Zespół uważa, że ​​z powodu mieszania się napędzanego wiatrem skład chemiczny atmosfery jest taki sam na całej planecie, czego nie wynikało z wcześniejszych prac z Hubble'em i Spitzerem.

Odniesienie: „Nocne chmury i chemia nierównowagi na gorącym Jowiszu WASP-43b” autorstwa Taylora J. Bella, Nicolasa Crozeta i Patricio E. Kobelo, Laura Kreidberg i Anjali A.A. Peeta i Michaela T. Romana i Joanny K. Barstow, Jasmina Plisic, Ludmila Carone, Louis-Philippe Collomb, Elsa Ducrot, Mark Hammond, João M. Mendonça, Julien I. Moses, Vivien Parmentier, Kevin B. Stevenson, Lucas Tintorier, Michael Chang, Natalie M. Batalha, Jacob L. Bean, Björn Beneke, Benjamin Charney, Katie L. Chubb, Bryce-Olivier Demaury, Peter Gao, Elspeth K. H. Lee, Mercedes Lopez-Morales, Giuseppe Morello, Emily Rauscher, David K. Singh, Xianyu Tan, Olivia Vinot, Hannah R. Wakeford, Keshav Agarwal, Eva Maria Ahrer, Munaza K. Allam, Ruben Bayens, David Parrado, Claudio Cáceres, Arin L. Cartera, Sarah L. Caswell, Ryan C. Challner, Ian JM Crosfield, Lyn Desain, Jean-Michel Desert, Ian Dobbs-Dixon, Akren Derrick, Nestor Espinosa, Adina D. Feinstein, Neil B. Gibson, Joseph Harrington, Christian Helling, Renew Hu, Nicholas Iero, Eliza M.-R. Compton, Sarah Kendrew, Thaddeus D. Komacek, Jessica Crick, Pierre-Olivier Lagage, Jeremy Leconte, Monica Lindell, Neil T. Lewis, Joshua D. Lothringer, Isaac Malski, Luigi Mancini, Megan Mansfield, Nathan J. Mayne, Thomas M. Evans Soma, Karan Molaverdkhani, Nikolai K. Nikołow, Matthew C. Nixon, Enrique Paley, Dominique J.M. Petit de la Roche, Carolyn Piollet, Diana Powell, Benjamin V. RackhamAaron D. Schneider, Maria E. Steinrocka. Jake Taylor, Louis Wilbanks, Sergey N. Yurchenko, Xi Zhang i Sebastian Ziba, 30 kwietnia 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

Obserwacje MIRI WASP-43 b przeprowadzono w ramach programów Webb Early Release Science, które zapewniają badaczom szeroki zakres solidnych, ogólnodostępnych danych do badania szerokiego zakresu zjawisk kosmicznych.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wiodącym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie. Webb rozwiązuje tajemnice naszego Układu Słonecznego, spogląda poza odległe światy wokół innych gwiazd i bada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. WEB to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).Europejska Agencja Kosmiczna) i Kanadyjska Agencja Kosmiczna.