Eine Webreise, um die seltsame Atmosphäre einer fernen Welt zu verstehen

Forscher, die das James-Webb-Weltraumteleskop nutzen, haben Unterschiede in der Atmosphäre des Exoplaneten WASP-39 b entdeckt und dabei Temperaturunterschiede und eine ausgeprägte Wolkendecke auf den gezeitenabhängigen Hemisphären der Erde festgestellt. Der Planet, der in seiner Größe dem Jupiter ähnelt, aber in seiner Masse näher am Saturn liegt, zeigt aufgrund starker atmosphärischer Zirkulationen eine heißere Abendseite als seine Morgenseite. Urheberrecht: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Joseph Olmstead (Space Telescope Science Institute)

Nahinfrarotspektroskopie des endlichen Sterns bestätigt Unterschiede in der Morgen- und Abendatmosphäre.

Seit dem ersten Extrasolarer Planet Tausende Planeten, die Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen, wurden 1992 entdeckt, und ihre Existenz wurde durch unzählige verschiedene Methoden bestätigt, darunter direkte Bildgebung, Gravitationsmikrolinsen, Transitmessungen und astronomische Messungen. Im Laufe der Jahre haben sich Techniken zur Untersuchung dieser Exoplaneten weiterentwickelt, da Astronomen Einzelheiten über die atmosphärische Zusammensetzung dieser fernen Welten erfahren.

NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop Er entwickelt dieses Forschungsgebiet weiter und vertieft unser Verständnis der Vielfalt von Exoplaneten und ihrer Atmosphären.

Was gibt es Neues? Webb hat es Astronomen ermöglicht, atmosphärische Unterschiede zwischen Morgen und Abend auf einem gezeitengebundenen Exoplaneten zu analysieren – eine unglaubliche Leistung für einen 700 Lichtjahre von der Erde entfernten Planeten wie WASP-39 b.

Diese Konzeptkunst zeigt, wie der Exoplanet WASP-39 b aussehen könnte, basierend auf indirekten Transitbeobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops der NASA sowie anderer weltraum- und bodengestützter Teleskope. Urheberrecht: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Ralph Crawford (Space Science Institute)

Das Webb-Weltraumteleskop beobachtet den ewigen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang auf fernen Welten

Forscher des James Webb-Weltraumteleskops der NASA haben endlich bestätigt, was frühere Modelle vorhergesagt hatten: Der Exoplanet weist Unterschiede zwischen seiner ewigen Morgenatmosphäre und seiner ewigen Abendatmosphäre auf. WASP-39 b, ein Riesenplanet mit einem Durchmesser, der 1,3-mal größer ist als unser Planet. der Jupiteraber der Block ähnelt Saturn Der Planet umkreist einen etwa 700 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern und ist durch Gezeiten an seinen Mutterstern gebunden. Das bedeutet, dass er eine feste Tagseite und eine feste Nachtseite hat – eine Seite des Planeten ist immer seinem Stern ausgesetzt, während die andere Seite immer in Dunkelheit gehüllt ist.

Mithilfe des Nahinfrarotspektrometers des Webb-Observatoriums haben Astronomen die Existenz eines Temperaturunterschieds zwischen ewigem Morgen und ewigem Abend auf WASP-39 b bestätigt, wobei der Abend etwa 300 Grad Celsius heißer erscheint. F Grad (ca. 200 Celsius Sie fanden auch Hinweise auf eine unterschiedliche Wolkendecke, wobei der ständige Morgenteil des Planeten wahrscheinlicher bewölkter ist als der Abend.

Diese Animation beschreibt, wie Webb Transmissionsspektroskopie nutzt, um die Atmosphären entfernter Exoplaneten zu untersuchen. Bildnachweis: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Leah Hostak

Fortschritte bei der Untersuchung exoplanetarer Atmosphären

Astronomen analysierten ein 2- bis 5-Mikrometer-Übergangsspektrum von WASP-39 b, einer Technik, die den Endpunkt des Exoplaneten untersucht, die Grenze zwischen der Tag- und Nachtseite eines Planeten. Ein Übergangsspektrum wird erstellt, indem Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert wird, während er sich vor dem Stern bewegt, mit dem ungefilterten Sternenlicht verglichen wird, das erkannt wird, wenn sich der Planet neben dem Stern befindet. Durch diesen Vergleich können Forscher Informationen über die Temperatur, Zusammensetzung und andere Eigenschaften der Atmosphäre des Planeten erhalten.

„WASP-39 b ist zu einem Referenzplaneten bei der Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten mit dem Webb-Teleskop geworden“, sagte Nestor Espinosa, Exoplanetenforscher am Max-Planck-Institut für Weltraumwissenschaften. Wissenschaftliches Institut für Weltraumteleskope „Der Planet hat eine bauschige Atmosphäre, daher ist das Signal des Sternenlichts, das durch die Atmosphäre des Planeten dringt, sehr stark“, sagt der Hauptautor der Studie.

Die Lichtkurve des James Webb-Weltraumteleskops der NASA zeigt, wie sich die Helligkeit des WASP-39-Sternsystems im Laufe der Zeit ändert, wenn der Planet den Stern passiert. Diese Beobachtung wurde mit dem Zeitreihenmodus für helle Objekte von NIRSpec gemacht, der ein Gitter verwendet, um Licht von einem einzelnen hellen Objekt (wie dem Wirtsstern von WASP-39 b) zu streuen und die Helligkeit jeder Lichtwellenlänge in bestimmten Zeitintervallen zu messen. Urheberrecht: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Ralph Crawford (Space Science Institute)

Einblicke in Temperatur und atmosphärische Zusammensetzung

Zuvor veröffentlichte Webb-Spektren der Atmosphäre von WASP-39b, die das Vorhandensein von Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Natrium zeigten, repräsentieren die gesamte Tag-/Nachtgrenze – und es gab keinen detaillierten Versuch, eine Seite von der anderen zu unterscheiden.

Die neue Analyse erstellt nun zwei verschiedene Endzonenspektren und unterteilt die Tag-Nacht-Grenze in zwei Halbkreise, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Daten zeigen, dass der Abend mit einer Temperatur von 1.450 °F (800 °C) deutlich heißer war und der Morgen mit einer Temperatur von 1.150 °F (600 °C) vergleichsweise kühler war.

Dieses durchdringende Spektrum, das mit dem Zeitreihenmodus für helle Objekte des Near-Infrared Spectrograph (PRISM)-Instruments des Webb Observatory aufgenommen wurde, zeigt die Mengen an naheinfrarotem Sternenlicht, das von der Atmosphäre des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-39 b blockiert wird. Das Spektrum zeigt deutliche Hinweise auf Wasser und Kohlendioxid sowie einen Temperaturunterschied zwischen Morgen und Abend auf dem Exoplaneten.
Eine neue Untersuchung des Lichttransmissionsspektrums von WASP-39 b hat gezeigt, dass es auf dem Exoplaneten zwei verschiedene Spektren fester Tag-Nacht-Grenzen gibt, die diese Endzone in zwei Halbkreise unterteilen, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Daten zeigen, dass der Abend mit einer Temperatur von 1.450 °F (800 °C) deutlich heißer war und der Morgen mit einer Temperatur von 1.150 °F (600 °C) vergleichsweise kühler war.
Die blauen und gelben Linien stellen das beste Modell dar, das die Daten und bekannten Eigenschaften von WASP-39 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) sowie die angenommenen Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt.
Urheberrecht: NASA, ESA, Canadian Space Agency, Ralph Crawford (Space Telescope Science Institute)

Auswirkungen von Temperaturänderungen

„Es ist wirklich erstaunlich, dass wir einen so kleinen Unterschied analysieren können, und dies ist nur dank Webbs Empfindlichkeit über Wellenlängen im nahen Infrarotbereich und hochstabilen optischen Sensoren möglich“, sagte Espinosa. „Jede kleine Bewegung im Gerät oder am Observatorium während der Datenerfassung hätte unsere Fähigkeit, diese Entdeckung zu machen, stark eingeschränkt. Sie müsste außerordentlich präzise sein, und genau das ist Webb.“

Eine umfassende Modellierung der gewonnenen Daten ermöglicht es den Forschern auch, die Struktur der Atmosphäre von WASP-39 b, ihre Wolkendecke und die Gründe dafür zu untersuchen, warum die Abende heißer sind. Während die zukünftige Arbeit des Teams untersuchen wird, wie sich die Wolkendecke auf die Temperatur auswirken kann und umgekehrt, haben Astronomen bestätigt, dass die Rotation des Gases um den Planeten der Hauptgrund für die Temperaturunterschiede auf WASP-39 b ist.

Verständnis der planetarischen Windmuster und Temperaturdynamik

Auf einem stark strahlenden Exoplaneten wie WASP-39 b, der seinen Stern relativ nahe umkreist, gehen Forscher im Allgemeinen davon aus, dass sich das Gas bewegt, während der Planet seinen Stern umkreist: Das heißeste Gas sollte sich am Abend über einen starken Äquator von der Tagseite zur Nachtseite bewegen Jet-Stream. Da der Temperaturunterschied so extrem ist, wird auch der atmosphärische Druckunterschied groß sein, was wiederum zu hohen Windgeschwindigkeiten führt.

Unter Verwendung allgemeiner Zirkulationsmodelle, dreidimensionaler Modelle, die denen ähneln, die zur Vorhersage von Wettermustern auf der Erde verwendet werden, stellten die Forscher fest, dass sich die vorherrschenden Winde auf WASP-39 b wahrscheinlich von der Nachtseite über die morgendliche Ziellinie, um die Tagseite herum, bewegen die abendliche Ziellinie und dann die Nachtseite. Dadurch ist die Morgenseite der Ziellinie kühler als die Abendseite. Mit anderen Worten: Die Morgenseite wird von gekühlten Luftwinden auf der Nachtseite getroffen, während die Abendseite von warmen Luftwinden auf der Tagesseite getroffen wird. Untersuchungen zeigen, dass die Windgeschwindigkeiten auf dem Planeten WASP-39 b Tausende von Meilen pro Stunde erreichen können!

Zukünftige Forschungsrichtungen und Webbs frühe wissenschaftliche Beiträge

„Diese Analyse ist auch deshalb besonders interessant, weil man 3D-Informationen über den Planeten erhält, die man vorher nicht hatte“, fügte Espinosa hinzu. „Da wir sagen können, dass der Abendrand heißer ist, bedeutet das, dass er etwas stärker ausgebeult ist. Theoretisch gibt es also eine kleine Ausbuchtung am Endrand, der sich der Nachtseite des Planeten nähert.“

Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Forscher werden nun versuchen, im Rahmen des WEP 3969 General Observers Program dieselbe Analysemethode zu verwenden, um die atmosphärischen Schwankungen anderer gezeitenbeschränkter heißer Jupiter zu untersuchen.

WASP-39 b gehörte zu den ersten Zielen, die Webb analysierte, als es im Jahr 2022 den regulären wissenschaftlichen Betrieb aufnahm. Die Daten dieser Studie wurden im Rahmen des Early Science Release 1366-Programms gesammelt, das Wissenschaftlern helfen soll, schnell den Umgang mit den Instrumenten und Instrumenten des Teleskops zu erlernen sein wissenschaftliches Potenzial voll ausschöpfen.

Referenz: „Heterocyclische Extreme auf dem Exoplaneten WASP-39 b“ von Néstor Espinoza und Maria E. Steinrock, James Kirk und Ryan J. McDonald und Arjun B. Saville, Kenneth Arnold und Eliza M.-R. Kempton, Matthew M. Murphy, Ludmila Carone, Maria Zamyatina, David A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christiane Helling, Zafar Rustamkulov, Vivien Parmentier, Erin M. May, Aarynn L. Carter, Xi Zhang, Mercedes López-Morales, Natalie Allen, Jasmina Blecic, Leen Decin, Luigi Mancini, Karan Molaverdikhani, Benjamin V. Rackham, Enric Palle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean, Ian J.M. Crossfield, David Haegele, Eric Hébrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm und Nicolas Crouzet, 15. Juli 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist ein großes Weltraumobservatorium, das am 25. Dezember 2021 ins Leben gerufen wurde. Es handelt sich um ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der Harvard University und der Harvard University. Europäische Weltraumorganisation (ESA) und der Canadian Space Agency (CSA). Als wissenschaftlicher Nachfolger des Programms Hubble-WeltraumteleskopDas James-Webb-Teleskop ist darauf ausgelegt, eine beispiellose Auflösung und Empfindlichkeit im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums zu bieten. Diese Fähigkeit ermöglicht es Astronomen, jede Phase der kosmischen Geschichte zu studieren – von den ersten Flares an die große ExplosionVon seinem Standort am zweiten Lagrange-Punkt (L2) aus wird das James-Webb-Teleskop ein breites Spektrum wissenschaftlicher Fragen erforschen und dabei helfen, neue Erkenntnisse über die Struktur und den Ursprung des Universums zu gewinnen.