Astronomowie z MIT uzyskali najdokładniejszy jak dotąd obraz ciemnej strony egzoplanety, która jest pływowo zablokowana ze swoją gwiazdą. Ich obserwacje, w połączeniu z pomiarami dziennej strony planety, dają pierwszy szczegółowy obraz globalnej atmosfery egzoplanety.
Teraz wykraczamy poza wykonywanie pojedynczych ujęć konkretnych regionów atmosfer egzoplanet i badamy je jako systemy trójwymiarowe, którymi w rzeczywistości są – mówi Thomas Mikal-Evans, który kierował badaniami w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych MIT Kavli.
Planeta będąca w centrum nowej pracy, która ukazała się 21 lutego 2022 roku w „Nature Astronomy”, to WASP-121b, masywny gazowy olbrzym prawie dwa razy większy od Jowisza. Planeta jest skrajnie gorącym Jowiszem i została odkryta w 2015 roku jako krążąca wokół gwiazdy znajdującej się około 850 lat świetlnych od Ziemi. WASP-121b ma jedną z najkrótszych wykrytych do tej pory orbit i obiega swoją gwiazdę w zaledwie 30 godzin. Jest również pływowo zablokowana, co oznacza, że jej dzienna strona zawsze zwrócona w kierunku gwiazdy smaży się, podczas gdy nocna strona jest zawsze skierowana w przestrzeń kosmiczną.
Gorące Jowisze znane są z tego, że mają bardzo jasną stronę dzienną, ale strona nocna to zupełnie inna bestia. Nocna strona WASP-121b jest około 10 razy słabsza niż dzienna – mówi mówi Tansu Daylan z MIT pracujący w misji TESS prowadzonej przez NASA, która jest współautorem badania.
Astronomowie już wcześniej wykryli parę wodną i zbadali, jak zmienia się temperatura i wysokość atmosfery na dziennej stronie planety.
Nowe badania przedstawiają znacznie bardziej szczegółowy obraz. Naukowcy byli w stanie odwzorować drastyczne zmiany temperatury pomiędzy dzienną a nocną stroną planety oraz zobaczyć, jak temperatura zmienia się wraz z wysokością. Prześledzili również obecność wody w atmosferze, aby po raz pierwszy pokazać, w jaki sposób woda krąży między dzienną i nocną stroną planety.
Podczas gdy na Ziemi woda najpierw wyparowuje, potem skrapla się w chmury, a następnie spada, na WASP-121b cykl wodny jest o wiele bardziej intensywny. Po stronie dziennej atomy, z których składa się woda, są rozrywane w temperaturze ponad 3000 K. Atomy te są wydmuchiwane na nocną stronę, gdzie niższe temperatury pozwalają atomom wodoru i tlenu ponownie połączyć się w cząsteczki wody, które następnie wydmuchiwane są z powrotem na dzienną, gdzie cykl zaczyna się od nowa.
Okazuje się również, że nie tylko woda krąży wokół planety. Astronomowie odkryli, że nocna strona jest wystarczająco zimna, aby gościć egzotyczne chmury żelaza i korundu – minerałów, z których zbudowane są rubiny i szafiry. Chmury te, podobnie jak para wodna, mogą przedostawać się na dzienną stronę, gdzie wysoka temperatura powoduje odparowanie metali do postaci gazu. Po drodze mogą powstać egzotyczne deszcze, takie jak płynne klejnoty z chmur korundu.
Dzięki tej obserwacji uzyskujemy naprawdę globalny obraz meteorologii egzoplanety – mówi Mikal-Evans.
Dzień i noc
Zespół obserwował WASP-121b za pomocą kamery spektroskopowej znajdującej się na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Instrument ten obserwuje światło pochodzące od planety i jej gwiazdy, a następnie rozbija je na poszczególne długości fal, których natężenie daje astronomom wskazówki dotyczące temperatury i składu atmosfery.
Dzięki badaniom spektroskopowym naukowcy zaobserwowali szczegóły atmosfery po dziennej stronie wielu egzoplanet. Jednak zrobienie tego samego dla strony nocnej jest o wiele trudniejsze, ponieważ wymaga obserwacji drobnych zmian w całym widmie planety, która okrąża swoją gwiazdę.
W ramach nowych badań zespół obserwował WASP-121b przez dwie pełne orbity – jedną w 2018, a drugą w 2019 roku. Podczas obu obserwacji badacze szukali w danych blasku specyficznej linii lub właściwości widmowej, która wskazywałaby na obecność pary wodnej.
Zobaczyliśmy tę właściwość wody i zmapowaliśmy, jak zmienia się ona w różnych częściach orbity planety – mówi Mikal-Evans. To koduje informacje o tym, jak temperatura atmosfery planety zachowuje się w funkcji wysokości.
Zmieniające się właściwości wody pomogły zespołowi określić profil temperatury zarówno po stronie dziennej, jak i nocnej. Stwierdzono, że temperatura po stronie dziennej waha się od 2500 K w najgłębszej warstwie obserwowalnej do 3500 K w najwyższych warstwach. Strona nocna waha się od 1800 K w najgłębszej warstwie do 1500 K w górnych warstwach atmosfery. Co ciekawe, profile temperatury wydawały się odwracać, wzrastając wraz z wysokością po stronie dziennej – co w terminologii meteorologicznej oznacza „inwersję termiczną” – i opadając wraz z wysokością po stronie nocnej.
Następnie badacze przepuścili mapy temperatur przez różne modele, aby zidentyfikować związki chemiczne, które prawdopodobnie mogą występować w atmosferze planety, biorąc pod uwagę określone wysokości i temperatury. Modelowanie to ujawniło możliwości występowania chmur metali, takich jak żelazo, korund i tytan po nocnej stronie.
Na podstawie map temperatury zespół zaobserwował również, że najgorętszy region planety jest przesunięty na wschód od regionu znajdującego się bezpośrednio pod gwiazdą. Wydedukowali, że to przesunięcie spowodowane ekstremalnymi wiatrami.
Na podstawie przesunięcia zespół szacuje, że prędkość wiatru wynosi około 5 km/s.
Astronomowie zarezerwowali czas na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba na obserwacje WASP-121b jeszcze w tym roku i mają nadzieję, że uda im się mapować zmiany nie tylko pary wodnej, ale także tlenku węgla, który, jak podejrzewają naukowcy, powinien znajdować się w jej atmosferze.
Byłby to pierwszy przypadek, kiedy moglibyśmy zmierzyć cząsteczkę zawierającą węgiel w atmosferze tej planety – mówi Mikal-Evans. Ilość węgla i tlenu w atmosferze dostarcza wskazówek na temat tego, gdzie tworzą się tego typu planety.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- A “hot Jupiter’s” dark side is revealed in detail for first time
- Diurnal variations in the stratosphere of the ultrahot giant exoplanet WASP-121b
Źródło: MIT
Na ilustracji: Wizja artystyczna WASP-121b. Źródło: Engine House VFX.
