Weerwebkaarten op de exoplaneet WASP-43b

WASP-43 b is 's nachts bewolkt en overdag helder, met tropische winden die met een snelheid van 8.000 kilometer per uur rond de planeet draaien.

soms Nee Iets vinden is net zo spannend en lonend als het vinden ervan. Neem het warm Jupiter WASP-43B bijvoorbeeld. Deze door getijden afgesloten wereld heeft een voortdurend zeer hete dagzijde en een wat koelere nachtzijde. Astronomen die Webb gebruiken om de temperatuur in kaart te brengen en de atmosfeer rond de planeet te analyseren, verwachten aan de nachtzijde methaan, een veel voorkomend koolstofmolecuul, te detecteren. Maar daar is duidelijk geen spoor van. Waarom? Het resultaat suggereert dat supersonische winden van heet gas vanaf de dagzijde waaien, waardoor de atmosfeer volledig wordt omgedraaid en chemische reacties worden voorkomen die aan de nachtzijde methaan zouden produceren.

Deze lichtcurve toont de verandering in helderheid van het WASP-43-systeem in de loop van de tijd terwijl de planeet om de ster draait. Dit type lichtcurve staat bekend als een fasecurve omdat deze de hele baan of alle fasen van de planeet omvat.
Omdat het netjes is vergrendeld, roteren verschillende zijden van WASP-43 b terwijl het draait. Het systeem lijkt het helderst wanneer de hete dagzijde naar de telescoop is gericht, net voor en na een secundaire zonsverduistering wanneer de planeet achter de ster passeert. Het systeem wordt zwakker naarmate de planeet zijn banen voortzet en de nachtzijde rond de horizon draait. Na de transitie, wanneer de planeet voor de ster langs beweegt en een deel van het sterlicht blokkeert, licht het systeem weer op terwijl de dagzijde weer in beeld komt.
Beeldcredits: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universiteit van Leicester)

De Webb-ruimtetelescoop brengt het weer in kaart op een planeet op 280 lichtjaar afstand

Het is met succes gebruikt door een internationaal team van onderzoekers NASA'S James Webb-ruimtetelescoop Om het weer op de hete gasreus exoplaneet WASP-43 b.

Nauwkeurige, grootschalige helderheidsmetingen van midden-infraroodlicht, gecombineerd met 3D-klimaatmodellen en eerdere waarnemingen van andere telescopen, duiden op dikke, hoge wolken die de nachtzijde bedekken, een heldere hemel aan de dagzijde en tropische winden van meer dan 5.000 graden. mijlen hoog. per uur vermenging van atmosferische gassen rond de planeet.

Het onderzoek is slechts het laatste bewijsmateriaal Exoplaneet Wetenschap is nu mogelijk dankzij het buitengewone vermogen van Webb om temperatuurveranderingen te meten en atmosferische gassen op biljoenen kilometers afstand te detecteren.

“Hot Jupiter” is netjes vergrendeld

WASP-43 b is een soort ‘hete Jupiter’-exoplaneet: qua grootte vergelijkbaar met Jupiter, voornamelijk samengesteld uit waterstof en helium, en veel heter dan alle reuzenplaneten in ons zonnestelsel. Hoewel zijn ster kleiner en koeler is dan de zon, draait WASP-43 b op een afstand van slechts 2,1 miljoen kilometer, minder dan 1/25 van de afstand tussen Mercurius en de zon.

Met zo'n krappe baan is de planeet getijdengesloten, waarbij de ene kant voortdurend verlicht is en de andere kant voortdurend in duisternis verkeert. Hoewel de nachtzijde nooit enige directe straling van de ster ontvangt, transporteren sterke oostenwinden warmte van de dagzijde.

Sinds de ontdekking in 2011 is WASP-43 b waargenomen met behulp van verschillende telescopen, waaronder NASA's Hubble-telescoop en de inmiddels gepensioneerde Spitzer-ruimtetelescopen.

“Met Hubble kunnen we duidelijk zien dat er aan de dagzijde waterdamp is. Zowel Hubble als Spitzer hebben aangetoond dat er mogelijk wolken zijn aan de nachtzijde”, legt Taylor Bell uit, een onderzoeker van het Bay Area Environmental Research Institute en hoofdauteur van het boek. een studie gepubliceerd op 30 april in Natuur astronomie. “Maar we hadden preciezere metingen van Webb nodig om daadwerkelijk gedetailleerdere temperatuur, bewolking, wind en atmosferische samenstelling over de hele planeet in kaart te kunnen brengen.”

Dit vereenvoudigde diagram van de fasecurve van exoplaneten toont de verandering in de algehele helderheid van het ster-planeetsysteem terwijl de planeet om de ster draait. Het systeem lijkt het helderst wanneer het verlichte deel van de planeet naar de telescoop is gericht (volledige fase). Het lijkt zwak wanneer het grootste deel van de donkere kant naar de telescoop is gericht (nieuwe fase), wanneer de planeet een deel van het sterlicht blokkeert (transit), en wanneer de ster het licht van de planeet blokkeert (secundaire zonsverduistering).
(Boven) Een diagram dat de verandering in de fase van de planeet laat zien (de hoeveelheid verlichte zijde die naar de telescoop is gericht) terwijl deze om zijn ster draait.
(Onder) Een 3D-grafiek die de verandering in de algehele helderheid van het sterrensysteem en de planeet laat zien terwijl de planeet om zijn ster draait. In deze grafiek, bekend als de lichtcurve, is het horizontale vlak de orbitale positie en de verticale as de helderheid.
(Rechts) Schaalbalk. In zowel het orbitale diagram als de lichtcurve geeft kleur de waargenomen helderheid van de ster + planeet aan: van donkerpaars (er wordt minder licht gedetecteerd) tot wit (er wordt meer licht gedetecteerd).
Onderzoekers gebruiken fasecurven om veranderingen in de reflectie en temperatuur van de planeet met de lengtegraad (van links naar rechts) te bestuderen, wat inzicht kan geven in de samenstelling van het oppervlak en de atmosferische omstandigheden van de planeet.
Afbeelding tegoed: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Andy James (STScI), Greg Bacon (STScI)

Temperatuurkartering en weerinferentie

Hoewel WASP-43 b te klein, zwak en te dicht bij zijn ster is om met een telescoop rechtstreeks te kunnen zien, maakt zijn korte omlooptijd van slechts 19,5 uur hem ideaal voor fasecurvespectroscopie, een techniek waarbij kleine veranderingen in de helderheid van een ster worden gemeten. Ster- en planeetsysteem Terwijl de planeet om de ster draait.

Omdat de hoeveelheid midden-infraroodlicht dat door een object wordt uitgezonden grotendeels afhangt van hoe warm het is, kunnen de door Webb vastgelegde helderheidsgegevens vervolgens worden gebruikt om de temperatuur van de planeet te berekenen.

Het team gebruikte het MIRI-instrument (mid-infrared instrument) van Webb om het licht van het WASP-43-systeem gedurende meer dan 24 uur elke 10 seconden te meten. “Door een hele baan te observeren, konden we de temperatuur berekenen van de verschillende kanten van de planeet terwijl ze om de horizon draaiden”, legt Bell uit. “Van daaruit kunnen we een ruwe kaart van de temperatuur over de hele planeet maken.”

Uit metingen blijkt dat de gemiddelde temperatuur aan de dagzijde zo’n 2.300 graden bedraagt F (1.250 graden Celsius) – heet genoeg om ijzer te vormen. Ondertussen is de nachtkant merkbaar koeler: 600°C. De gegevens helpen ook bij het bepalen van de locatie van het heetste punt van de planeet (de ‘hot spot’), dat iets naar het oosten is verschoven vanaf het punt dat de meeste stellaire straling ontvangt, waar de ster het hoogst aan de hemel van de planeet staat. Deze verschuiving wordt veroorzaakt door supersonische winden, die hete lucht naar het oosten verplaatsen.

“Het feit dat we de temperatuur op deze manier in kaart kunnen brengen is een echt bewijs van de gevoeligheid en stabiliteit van Webb”, zegt co-auteur Michael Roman van de Universiteit van Leicester in Groot-Brittannië.

Om de kaart te interpreteren gebruikte het team complexe 3D-atmosfeermodellen, zoals die worden gebruikt om het weer en klimaat op aarde te begrijpen. Uit de analyse blijkt dat de nachtzijde mogelijk bedekt is door een dikke, hoge wolkenlaag die verhindert dat een deel van het infraroodlicht de ruimte in kan ontsnappen. Als gevolg hiervan lijkt de nachtzijde – hoewel erg heet – donkerder en koeler dan wanneer er geen bewolking zou zijn.

Deze reeks kaarten toont de temperatuur van de zichtbare kant van de hete gasreus exoplaneet WASP-43 b, terwijl de planeet om zijn ster draait. De temperaturen werden berekend op basis van meer dan 8.000 helderheidsmetingen van midden-infraroodlicht van 5 tot 12 micron, gedetecteerd door het sterrenstelsel en de planeet door MIRI (Mid-Infrared Instrument) van NASA's James Webb Space Telescope. Over het algemeen geldt dat hoe heter een object is, hoe meer midden-infraroodlicht het uitstraalt. Beeldcredits: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universiteit van Leicester)

Methaanverlies en harde wind

Het brede spectrum van midden-infraroodlicht dat door Webb werd opgevangen, maakte het ook mogelijk om de hoeveelheid waterdamp (H₂O) en methaan (CH₄) over de hele planeet. “Webb heeft ons de kans gegeven om precies te weten welke moleculen we zien en een aantal beperkingen op te leggen aan hun overvloed”, zegt co-auteur Joanna Barstow van de Open Universiteit in Groot-Brittannië.

De spectra vertonen duidelijke tekenen van waterdamp aan zowel de nachtzijde als de dagzijde van de planeet, wat aanvullende informatie oplevert over hoe dicht de wolken zijn en hoe hoog ze in de atmosfeer stijgen.

Verrassend genoeg laten de gegevens ook een duidelijk verschil zien verlies Methaan overal in de atmosfeer. Hoewel het overdag te heet is om methaan te laten bestaan ​​(de meeste koolstof moet in de vorm van koolmonoxide zijn), zou methaan aan de koelere nachtzijde stabiel en detecteerbaar moeten zijn.

“Het feit dat we geen methaan zien, vertelt ons dat WASP-43 b windsnelheden van bijna 5.000 mijl per uur moet hebben”, legt Barstow uit. “Als de wind het gas snel genoeg van de dagzijde naar de nachtzijde zou verplaatsen en vervolgens weer terug zou brengen, zou er niet genoeg tijd zijn voor de verwachte chemische reacties om aan de nachtzijde detecteerbare hoeveelheden methaan te produceren.”

Het team is van mening dat vanwege deze door de wind aangedreven vermenging de chemie van de atmosfeer over de hele planeet hetzelfde is, wat niet duidelijk was uit eerder werk met Hubble en Spitzer.

Referentie: “Nachtwolken en niet-evenwichtschemie op de hete Jupiter WASP-43b” door Taylor J. Bell, Nicolas Crozet en Patricio E. Kobelo, Laura Kreidberg en Anjali AA Peet en Michael T. Roman en Joanna 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 KH 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. Carter, 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. Nikolov, Matthew C. Nixon, Enrique Paley, Dominique J.M. Petit de la Roche, Carolyn Piollet, Diana Powell, Benjamin V. Rackham, Aaron D. Schneider, Maria E. Steinrock. Jake Taylor, Louis Wilbanks, Sergey N. Yurchenko, Xi Zhang en Sebastian Ziba, 30 april 2024, Natuur astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

De MIRI-observatie van WASP-43 b werd uitgevoerd als onderdeel van de Webb Early Release Science-programma's, die onderzoekers voorzien van een breed scala aan robuuste, open toegankelijke gegevens om een ​​breed scala aan kosmische verschijnselen te bestuderen.

De James Webb-ruimtetelescoop is 's werelds toonaangevende observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost de mysteries van ons zonnestelsel op, kijkt verder dan de verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. WEB is een internationaal programma onder leiding van NASA en zijn partners, de European Space Agency (ESA).Europese Ruimtevaartorganisatie) en de Canadian Space Agency.