Wysokie temperatury i ekstremalne prędkości wiatru wpływają na skład chemiczny atmosfer planet.
Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), zespół astronomów stworzył globalną mapę temperatur gorącej, gazowej egzoplanety WASP-43b. Pobliska gwiazda macierzysta nieustannie oświetla dzienną półkulę, podnosząc temperaturę do 1250 stopni Celsjusza. Tymczasem po przeciwnej stronie panuje wieczna noc. Gwałtowne wiatry przenoszą gorące powietrze na nocną stronę, gdzie ochładza się do 600 stopni, umożliwiając tworzenie się chmur pokrywających całą półkulę. Nawałnice te osłabiają reakcje chemiczne do tego stopnia, że metan ledwo może się wytworzyć, mimo że w spokojniejszych warunkach powinno go być pod dostatkiem.
Gorące jowisze to ekstremalne gazowe olbrzymy, które krążą wokół swoich gwiazd macierzystych w bliskiej odległości, co prowadzi do kilku egzotycznych właściwości dotyczących temperatury, gęstości, składu, chemii i pogody. Wraz z pojawieniem się przełomowo czułych teleskopów, takich jak JWST, astronomowie zaczęli szczegółowo badać ich atmosfery.
W ramach międzynarodowej współpracy, zespół JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), obserwował gorącego jowisza WASP-43b za pomocą instrumentu średniej podczerwieni (MIRI) JWST w celu zbadania jego klimatu. Wyniki badań prowadzonych przez Taylor J. Bell (BEAR Institute and Space Science and Astrobiology Division) zostały opublikowane w Nature Astronomy.
Ekstremalny świat niepodobny do niczego w Układzie Słonecznym
Głównym wynikiem jest mapa przedstawiająca globalny rozkład temperatury uzyskany ze światła podczerwonego emitowanego przez WASP-43b w odpowiedzi na promieniowanie gwiazdy macierzystej. Obejmując zakres widmowy wrażliwy na ciepłe materiały, MIRI działa podobnie do bezdotykowego termometru używanego do pomiaru temperatury ciała, ale na dużych odległościach, wynoszących 280 lat świetlnych dla WASP-43b. Na tej mapie zmierzone temperatury wynoszą od 600 do 1250 stopni Celsjusza. Przy użyciu porównywalnych obserwacji, Jowisz, gazowy olbrzym w Układzie Słonecznym, osiąga mroźne -135 stopni Celsjusza.
Choć pod względem wielkości i masy przypomina Jowisza, jest to zupełnie inny świat. WASP-43b utrzymuje wyjątkowo ciasną orbitę wokół swojej gwiazdy macierzystej, WASP-43, poruszając się zaledwie dwie średnice gwiezdne nad powierzchnią gwiazdy, wykonując orbitę w zaledwie 19,5 godziny. Niewielka separacja spowodowała, że dzień i rok planety zostały zsynchronizowane. Innymi słowy, obrót wokół gwiazdy zajmuje tyle samo czasu, ile planeta potrzebuje na obrót wokół własnej osi. W rezultacie gwiazda zawsze oświetla i ogrzewa tę samą stronę planety.
Wiatry na WASP-43b są niezwykle gwałtowne, a ich prędkość sięga prawie 9000 km/h. Jest to znacznie szybsze niż jakiekolwiek wiatry obserwowane w Układzie Słonecznym. Dla porównania, nawet najsilniejsze wiatry na Jowiszu są jedynie łagodną bryzą.
Te ekstremalne wiatry przenoszą powietrze na przeciwległą półkulę planety, gdzie ochładza się ono podczas wiecznej nocy.
Para wodna, chmury ciekłych skał i zaskakujący brak metanu
Dzięki teleskopowi Hubble’a mogliśmy wyraźnie zobaczyć, że po stronie dziennej znajduje się para wodna. Zarówno Hubble, jak i Spitzer sugerowały, że po nocnej stronie mogą znajdować się chmury – powiedziała Taylor Bell. Potrzebowaliśmy jednak bardziej precyzyjnych pomiarów z JWST, aby naprawdę zacząć mapować temperaturę, zachmurzenie, wiatry i bardziej szczegółowy skład atmosfery wokół planety.
Obserwacje dokonane przez teleskop kosmiczny Jamesa Webba (JWST) ujawniły, że kontrast temperatur między stroną dzienną i nocną planety WASP-43b jest większy, niż można by się spodziewać w przypadku planety pozbawionej chmur. Modele komputerowe potwierdzają, że nocna strona planety jest pokryta grubą warstwą wysoko położonych chmur, które blokują znaczną część promieniowania podczerwonego pochodzącego z niższych warstw atmosfery i które w przeciwnym razie można by zaobserwować. Dokładny skład tych chmur nie jest jeszcze znany. Oczywiście nie są to chmury wodne, takie jak te występujące na Ziemi, ani chmury amoniaku, które obserwujemy na Jowiszu, ponieważ planeta jest zbyt gorąca, aby woda i amoniak mogły się skroplić. W takich temperaturach bardziej prawdopodobne jest występowanie chmur złożonych ze skał i minerałów. Dlatego można przypuszczać, że są to chmury złożone z kropelek ciekłej skały. Z kolei cieplejsza strona dzienna WASP-43b wydaje się być pozbawiona chmur.
Aby dokładniej zbadać skład atmosfery, zespół naukowców stworzył widma, czyli rozłożył otrzymane światło podczerwone na małe odcinki długości fal, podobnie jak tęcza rozkłada światło słoneczne na poszczególne kolory. Ta metoda pozwoliła im zidentyfikować sygnatury określonych związków chemicznych, które emitują promieniowanie na określonych długościach fal. W rezultacie astronomowie potwierdzili wcześniejsze pomiary pary wodnej, ale teraz na całej planecie. Kosmiczny Teleskop Hubble'a był w stanie badać tylko stronę dzienną, ponieważ strona nocna była zbyt ciemna, aby móc wykryć tam obecność cząsteczek. JWST, dzięki swojej większej czułości, uzupełnia teraz ten obraz.
Dodatkowo, gorące jowisze zazwyczaj zawierają duże ilości wodoru molekularnego i tlenku węgla, których zespół nie mógł zbadać za pomocą swoich obserwacji. Jednakże, gdy wodór i tlenek węgla są wystawione na działanie chłodniejszej nocnej strony, wchodzą w szereg reakcji, tworząc metan i wodę. Jednak instrument MIRI nie wykrył żadnego metanu. Astronomowie tłumaczą tę niespodziankę ogromnymi prędkościami wiatru na WASP-43b. Partnerzy reakcji przechodzą przez chłodniejszą stronę nocną tak szybko, że pozostaje niewiele czasu na oczekiwane reakcje chemiczne, które mogłyby wytworzyć wykrywalne ilości metanu. Każda niewielka ilość metanu, która powstanie, zostaje dokładnie wymieszana z innymi gazami. Szybko przemieści się z powrotem na stronę dzienną, gdzie będzie narażona na niszczące ciepło.
Dzięki nowej mocy obserwacyjnej JWST, WASP-43b został pokazany z niespotykaną dotąd szczegółowością – powiedziała Laura Kreidberg, dyrektor Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu w Niemczech. Jest ona współautorką artykułu naukowego i bada planetę od dekady. Widzimy złożony, niegościnny świat, z gwałtownymi wiatrami, ogromnymi zmianami temperatury i niejednolitymi chmurami prawdopodobnie zbudowanymi z kropelek skał. WASP-43b przypomina o szerokim zakresie klimatów, które mogą występować na egzoplanetach i o tym, pod jak wieloma względami Ziemia jest wyjątkowa.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Clouds blanket the night side of the hot exoplanet WASP-43b
- Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b
Źródło: MPG
Na ilustracji: Wizja artystyczna gorącego jowisza WASP-43b krążącego blisko swojej gwiazdy macierzystej. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA)
