Webova cesta k pochopeniu zvláštneho prostredia vzdialeného sveta

Blízka infračervená spektrálna analýza terminátora potvrdzuje rozdiely v rannej a večernej atmosfére.

od prvého ročníka exoplanéta Od objavu v roku 1992 boli tisíce planét obiehajúcich okolo hviezd mimo našej slnečnej sústavy potvrdené mnohými rôznymi metódami, vrátane priameho zobrazovania, gravitačnej mikrošošovky, merania tranzitu a astrometrie. V priebehu rokov sa techniky na štúdium týchto exoplanét vyvinuli a astronómovia sa dozvedeli podrobnosti o zložení atmosféry týchto vzdialených planét.

NASA'S Vesmírny ďalekohľad james Webb Pokračujeme v našom úsilí napredovať v tejto oblasti štúdia a prehlbovať naše chápanie rozmanitosti exoplanét a ich atmosfér.

najnovšie? Webb umožnil astronómom pochopiť atmosférický rozdiel medzi úsvitom a súmrakom na prílivovo uzamknutej exoplanéte – neuveriteľný výkon pre vzdialenú planétu ako WASP-39 b, ktorá sa nachádza 700 svetelných rokov od Zeme.

Koncept tohto umelca ukazuje, ako by mohla vyzerať exoplanéta WASP-39 b, na základe pozorovaní nepriameho tranzitu z vesmírneho teleskopu Jamesa Webba, ako aj z iných vesmírnych a pozemných teleskopov. Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STSCI)

Webb Space Telescope sonduje večné východy a západy slnka na vzdialenom svete

Výskumníci využívajúci vesmírny teleskop Jamesa Webba agentúry NASA konečne potvrdili to, čo modely predtým predpovedali: Existuje rozdiel medzi večnými rannými a večernými atmosférami exoplanéty. WASP-39 b, obrovská planéta s priemerom 1,3-krát väčším ako Zem Jupiterale rovnaká hmotnosť saturn Obieha okolo hviezdy asi 700 svetelných rokov od Zeme, slapovo viazanej na svoju materskú hviezdu. To znamená, že má konštantnú dennú stranu a konštantnú nočnú stranu – jedna strana planéty je vždy pred svojou hviezdou, zatiaľ čo druhá je vždy v tme.

Pomocou Webbovho NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) astronómovia potvrdili teplotný rozdiel medzi večným ránom a večným večerom na WASP-39b, pričom večer sa javil takmer o 300 stupňov teplejší. Fahrenheita stupňa (asi 200 Celzia stupňa). Našli tiež dôkazy o meniacej sa oblačnosti, pričom ranná strana planéty môže byť vždy zamračená ako večerná.

Táto animácia vysvetľuje, ako Webb používa transmisnú spektroskopiu na štúdium atmosfér vzdialených planét. Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Pokrok v štúdiách atmosféry exoplanét

Astronómovia analyzovali 2 až 5 mikrónové transmisné spektrum WASP-39 b, techniku ​​používanú na štúdium terminátorov exoplanét, hranice oddeľujúcej dennú a nočnú stranu planéty. Spektrum prenosu sa vytvára porovnaním svetla hviezd, ktoré prechádza atmosférou planéty, keď prechádza pred hviezdou, a nefiltrovaného svetla hviezd, keď je planéta vedľa hviezdy. Pri tomto porovnaní môžu výskumníci získať informácie o teplote, zložení a ďalších vlastnostiach atmosféry planéty.

„WASP-39 b sa stala akousi štandardnou planétou pri štúdiu atmosféry exoplanét s Webbom,“ povedal Nestor Espinoza, výskumník exoplanét. Vedecký inštitút pre vesmírny teleskop a hlavný autor štúdie. „Jeho atmosféra je nafúknutá a nafúknutá, takže signály z hviezdneho svetla filtrujúceho atmosféru planéty sú dosť silné.“

Svetelná krivka z NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) na vesmírnom teleskope Jamesa Webba agentúry NASA ukazuje zmeny jasu v priebehu času z hviezdneho systému WASP-39, keď planéta prechádzala okolo hviezdy. Toto pozorovanie sa uskutočnilo pomocou režimu časovej série jasných objektov NIRSpec, ktorý využíva mriežku na rozptyl svetla z jedného jasného objektu (ako je hostiteľská hviezda WASP-39 b) a počas nastavených časových intervalov meria jas každej vlnovej dĺžky svetla . Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

Štatistiky teploty a zloženia atmosféry

Predtým publikované Webbove spektrá atmosféry WASP-39b, ktoré odhalili prítomnosť oxidu uhličitého, oxidu siričitého, vodnej pary a sodíka, predstavujú celú hranicu deň/noc – bez možnosti rozlíšenia medzi jednou a druhou stranou bola vykonaná.

Nová analýza teraz vytvára dve samostatné spektrá z oblasti terminátora, ktoré v podstate rozdeľujú hranicu deň/noc na dva polkruhy, jeden z večera a druhý z rána. Údaje ukazujú, že večerná teplota bola pomerne teplá, 1450 °F (800 °C), a ranná teplota bola relatívne chladných 1150 °F (600 °C).

Toto transmisné spektrum zachytené pomocou Webbovho režimu NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) PRISM Bright Object-Time Series ukazuje množstvo blízkeho infračerveného svetla hviezd blokované atmosférou obrovskej exoplanéty WASP-39 b s horúcim plynom. Spektrum ukazuje jasný dôkaz vody a oxidu uhličitého a zmeny teploty medzi úsvitom a súmrakom na exoplanéte.
Nová analýza transmisného spektra WASP-39b vytvára dve odlišné spektrá zo stabilnej hranice deň/noc na exoplanéte, čím v podstate rozdeľuje túto terminátorovú oblasť na dva polkruhy, jeden z večera a druhý z rána. Údaje ukazujú, že večerná teplota bola pomerne teplá, 1450 °F (800 °C), a ranná teplota bola relatívne chladných 1150 °F (600 °C).
Modré a žlté čiary sú najvhodnejším modelom, ktorý zohľadňuje údaje, známe vlastnosti WASP-39 b a jej hviezdy (napr. veľkosť, hmotnosť, teplotu) a predpovedané charakteristiky atmosféry.
Poďakovanie: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STSCI)

Dôsledky teplotných zmien

„Je skutočne úžasné, že sme schopní rozpoznať tento malý rozdiel, a to je možné len vďaka Webbovej citlivosti v blízkych infračervených vlnových dĺžkach a jeho extrémne stabilnému fotometrickému senzoru,“ povedal Espinoza. „Akýkoľvek malý pohyb v prístroji alebo observatóriu pri zhromažďovaní údajov by výrazne obmedzil našu schopnosť vykonať túto identifikáciu. Musí byť mimoriadne presná a Webb je presne taký.“

Rozsiahle modelovanie získaných údajov tiež umožňuje výskumníkom skúmať zloženie atmosféry WASP-39 b, oblačnosť a prečo je večer teplejšie. Zatiaľ čo budúca práca tímu bude študovať, ako môže oblačnosť ovplyvniť teplotu a naopak, astronómovia poukazujú na plyn okolo planéty ako na hlavného vinníka teplotného rozdielu na WASP-39 b.

Pochopenie vzorov planetárneho vetra a dynamiky teploty

Na vysoko ožiarenej exoplanéte, ako je WASP-39 b, ktorá obieha relatívne blízko svojej hviezdy, výskumníci zvyčajne očakávajú, že sa plyn bude pohybovať, keď planéta rotuje okolo svojej hviezdy: teplejší plyn od dňa do večera potrvá cez noc . Keďže rozdiel teplôt je taký veľký, významný bude aj rozdiel v tlaku vzduchu, čo spôsobí veľmi vysoké rýchlosti vetra.

Pomocou modelu General Circulation Model, 3-rozmerného modelu používaného na predpovedanie vzorov počasia na Zemi, výskumníci zistili, že prevládajúce vetry na WASP-39 b sa pravdepodobne pohybujú z nočnej strany cez ranný terminátor, cez deň sa pohybujú naprieč terminátor večera a potom okolo noci. Výsledkom je, že ranná strana terminátora je chladnejšia ako večerná. Inými slovami, rannú stranu zasahujú studené vzdušné vetry na nočnej strane, zatiaľ čo večernú stranu zasahujú teplé vzdušné vetry na dennej strane. Výskum ukazuje, že rýchlosť vetra na WASP-39b môže dosiahnuť tisíce míľ za hodinu!

Budúce smery výskumu a počiatočné vedecké príspevky webu

„Táto analýza je obzvlášť zaujímavá, pretože získavate 3D informácie o planéte, ktoré ste predtým nezískali,“ povedal Espinoza. „Pretože môžeme povedať, že večerná strana je teplejšia, znamená to, že je trochu viac nafúknutá. Takže teoreticky je tam malé vlnenie na terminátore, ktorý sa pohybuje smerom k nočnej strane planéty.“

Výsledky tímu boli publikované v časopise Príroda,

Výskumníci sa teraz pokúsia použiť rovnakú metódu analýzy na štúdium atmosférických rozdielov iných slapovo nabitých horúcich Jupiterov v rámci programu Webb Cycle 2 General Observer Program 3969.

WASP-39 b bol jedným z prvých cieľov, ktoré Webb analyzoval, keď v roku 2022 začal s pravidelnými vedeckými operáciami. Údaje v tejto štúdii boli zhromaždené v rámci programu Early Release Science Program 1366, ktorý je navrhnutý tak, aby pomohol vedcom rýchlo sa naučiť, ako používať nástroje ďalekohľadu a realizovať jeho plný vedecký potenciál.

Referencie: Nestor Espinoza, Maria E. Steinruck, James Kirk, Ryan J. McDonald, Arjun B. Sewell, Kenneth Arnold, Eliza M.-R. „Nepodobné terminátory na exoplanéte WASP-39 b“ od Kemptona, Matthewa M. Murphyho, Ludmily Caron, Marie Zamyatiny, Davida A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan May, Christian Helling, Zafar Rustamkulov, Vivian Parmentier, Erin M. May, Erin L. Carter, Xi Zhang, Mercedes Lopez-Morales, Natalie Allen, Jasmina Blasic, Leanne Dessin, Luigi Mancini, Karan Molaverdicani, Benjamin V. Rackham, Enrique Paley, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Aher, Jacob L. Bean, Ian JM Crossfield, David Hegele, Eric Hebrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Louis Welbank, Peter Wheatley, Raphael Brahm a Nicolas Crouzet, 15. júla 2024, Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

Vesmírny teleskop Jamesa Webba (JWST) je veľké vesmírne observatórium, ktoré bolo spustené 25. decembra 2021. Ide o projekt spolupráce s NASA Európska vesmírna agentúra (ESA) a Kanadská vesmírna agentúra (CSA). Hubblov vesmírny teleskopJWST je navrhnutý tak, aby poskytoval bezprecedentné rozlíšenie a citlivosť v infračervenom rozsahu elektromagnetického spektra. Táto schopnosť umožňuje astronómom študovať každú fázu kozmickej histórie – od prvého jasu až po jas veľký treskOd vzniku slnečných sústav schopných podporovať život na planétach podobných Zemi až po vývoj našej vlastnej slnečnej sústavy. Nachádza sa v druhom Lagrangeovom bode (L2), JWST bude skúmať širokú škálu vedeckých otázok, čím pomôže získať nové poznatky o štruktúre a pôvode vesmíru.