Wetter-Webkarten zum Exoplaneten WASP-43b

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der heiße Gasriese Exoplanet WASP-43 b aussehen könnte. WASP-43 b ist ein Jupiter-großer Planet, der einen etwa 280 Lichtjahre entfernten Stern im Sternbild Sexta umkreist. Der Planet umkreist ihn in einer Entfernung von etwa 1,3 Millionen Meilen (0,014 Astronomische Einheiten oder AE) und vollendet einen Umlauf in etwa 19,5 Stunden. Aufgrund seiner Nähe zu seinem Stern ist WASP-43 b wahrscheinlich gezeitengebunden: Seine Rotationsgeschwindigkeit und Umlaufzeit sind gleich, wobei immer eine Seite dem Stern zugewandt ist. Bildquelle: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

WASP-43 b ist nachts bewölkt und tagsüber klar, und tropische Winde wirbeln mit 5.000 Meilen pro Stunde um den Planeten.

Manchmal NEIN Etwas zu finden ist genauso aufregend und lohnend wie es zu finden. Heiß nehmen der Jupiter WASP-43B zum Beispiel. Diese von Gezeiten blockierte Welt hat eine ständig sehr heiße Tagesseite und eine etwas kühlere Nachtseite. Astronomen, die Webb verwenden, um die Temperatur zu kartieren und die Atmosphäre rund um den Planeten zu analysieren, erwarten, auf der Nachtseite Methan, ein häufiges Kohlenstoffmolekül, zu entdecken. Aber davon gibt es offensichtlich keine Anzeichen. Warum? Das Ergebnis legt nahe, dass Überschallwinde aus heißem Gas von der Tagseite her blasen, die Atmosphäre vollständig umdrehen und chemische Reaktionen verhindern, die auf der Nachtseite Methan erzeugen würden.

Diese Lichtkurve zeigt die Helligkeitsänderung des WASP-43-Systems im Laufe der Zeit, während der Planet den Stern umkreist. Diese Art von Lichtkurve wird als Phasenkurve bezeichnet, da sie die gesamte Umlaufbahn bzw. alle Phasen des Planeten umfasst.
Da es gezeitengesperrt ist, drehen sich verschiedene Seiten von WASP-43 b, während es rotiert. Das System erscheint am hellsten, wenn die heiße Tagesseite dem Teleskop zugewandt ist, kurz vor und nach einer sekundären Sonnenfinsternis, wenn der Planet hinter dem Stern vorbeizieht. Das System wird schwächer, während der Planet seine Umlaufbahnen fortsetzt und seine Nachtseite den Horizont umkreist. Wenn der Planet nach dem Transit vor dem Stern vorbeizieht und einen Teil des Sternenlichts blockiert, leuchtet das System wieder auf, während die Tagseite wieder sichtbar wird.
Bildquelle: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (University of Leicester)

Das Webb-Weltraumteleskop kartiert das Wetter auf einem 280 Lichtjahre entfernten Planeten

Es wurde von einem internationalen Forscherteam erfolgreich eingesetzt NASA'S James Webb-Weltraumteleskop Um das Wetter auf dem heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-43 b zu kartieren.

Präzise, ​​großflächige Helligkeitsmessungen des Lichts im mittleren Infrarotbereich, kombiniert mit 3D-Klimamodellen und früheren Beobachtungen anderer Teleskope, deuten auf dichte, hohe Wolken auf der Nachtseite, klaren Himmel auf der Tagseite und tropische Winde von mehr als 5.000 hin Meilen hoch. pro Stunde Vermischung atmosphärischer Gase rund um den Planeten.

Bei den Ermittlungen handelt es sich nur um die neuesten Beweise Exoplanet Dank Webbs außergewöhnlicher Fähigkeit, Temperaturänderungen zu messen und atmosphärische Gase in Billionen von Kilometern Entfernung zu erkennen, ist Wissenschaft jetzt möglich.

„Hot Jupiter“ ist gezeitengebunden

WASP-43 b ist eine Art „heißer Jupiter“-Exoplanet: Er hat eine ähnliche Größe wie Jupiter, besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium und ist viel heißer als alle Riesenplaneten in unserem Sonnensystem. Obwohl sein Stern kleiner und kühler als die Sonne ist, kreist WASP-43 b in einer Entfernung von nur 1,3 Millionen Meilen, weniger als 1/25 der Entfernung zwischen Merkur und der Sonne.

Bei einer so engen Umlaufbahn ist der Planet durch Gezeiten blockiert, wobei eine Seite ständig beleuchtet ist und die andere in ständiger Dunkelheit liegt. Obwohl die Nachtseite niemals direkte Strahlung vom Stern erhält, transportieren starke Ostwinde Wärme von der Tagseite.

Seit seiner Entdeckung im Jahr 2011 wurde WASP-43 b mit mehreren Teleskopen beobachtet, darunter dem Hubble-Teleskop der NASA und den inzwischen ausgemusterten Spitzer-Weltraumteleskopen.

„Mit Hubble können wir deutlich erkennen, dass es auf der Tagseite Wasserdampf gibt. Sowohl Hubble als auch Spitzer haben gezeigt, dass es auf der Nachtseite möglicherweise Wolken gibt“, erklärte Taylor Bell, ein Forscher vom Bay Area Environmental Research Institute und Hauptautor von eine am 30. April veröffentlichte Studie Naturastronomie. „Aber wir brauchten präzisere Messungen von Webb, um tatsächlich mit der detaillierteren Kartierung von Temperatur, Wolkenbedeckung, Winden und Atmosphärenzusammensetzung rund um den Planeten beginnen zu können.“

Dieses vereinfachte Diagramm der Exoplaneten-Phasenkurve zeigt die Änderung der Gesamthelligkeit des Stern-Planeten-Systems, während der Planet den Stern umkreist. Das System erscheint am hellsten, wenn der beleuchtete Teil des Planeten auf das Teleskop gerichtet ist (Vollphase). Es erscheint schwach, wenn der größte Teil der dunklen Seite dem Teleskop zugewandt ist (neue Phase), wenn der Planet einen Teil des Sternenlichts blockiert (Transit) und wenn der Stern das Licht des Planeten blockiert (sekundäre Sonnenfinsternis).
(Oben) Ein Diagramm, das die Änderung der Phase des Planeten (die Menge der beleuchteten Seite, die dem Teleskop zugewandt ist) zeigt, während er seinen Stern umkreist.
(Unten) Ein 3D-Diagramm, das die Änderung der Gesamthelligkeit des Sternensystems und des Planeten zeigt, während der Planet seinen Stern umkreist. In diesem Diagramm, das als Lichtkurve bezeichnet wird, ist die horizontale Ebene die Orbitalposition und die vertikale Achse die Helligkeit.
(Rechts) Maßstabsleiste. Sowohl im Orbitaldiagramm als auch in der Lichtkurve gibt die Farbe die beobachtete Helligkeit des Sterns + Planeten an: von dunkelviolett (weniger Licht wird erkannt) bis weiß (mehr Licht wird erkannt).
Forscher verwenden Phasenkurven, um Änderungen des Reflexionsvermögens und der Temperatur des Planeten in Abhängigkeit vom Längengrad (von einer Seite zur anderen) zu untersuchen, was Aufschluss über die Oberflächenzusammensetzung und die atmosphärischen Bedingungen des Planeten geben kann.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Andy James (STScI), Greg Bacon (STScI)

Temperaturkartierung und Wetterinduktion

Obwohl WASP-43 b zu klein, zu dunkel und zu nah an seinem Stern ist, als dass ein Teleskop ihn direkt sehen könnte, ist er aufgrund seiner kurzen Umlaufdauer von nur 19,5 Stunden ideal für die Phasenkurvenspektroskopie, eine Technik, bei der kleine Änderungen in der Helligkeit eines Sterns gemessen werden. Stern- und Planetensystem: Der Planet umkreist den Stern.

Da die Menge des von einem Objekt emittierten Lichts im mittleren Infrarotbereich weitgehend davon abhängt, wie heiß es ist, können die von Webb erfassten Helligkeitsdaten anschließend zur Berechnung der Temperatur des Planeten verwendet werden.

Das Team nutzte das MIRI-Instrument (Mid-Infrared Instrument) von Webb, um das Licht des WASP-43-Systems über 24 Stunden lang alle 10 Sekunden zu messen. „Durch die Beobachtung einer gesamten Umlaufbahn konnten wir die Temperatur der verschiedenen Seiten des Planeten berechnen, während er den Horizont umkreiste“, erklärte Bell. „Daraus können wir eine grobe Karte der Temperatur auf dem gesamten Planeten erstellen.“

Messungen zeigen, dass die Durchschnittstemperatur auf der Tagesseite etwa 2.300 Grad beträgt F (1.250 Grad Celsius) – heiß genug, um Eisen zu bilden. Unterdessen ist die Nachtseite mit 1.100 °F (600 °C) deutlich kühler. Die Daten helfen auch dabei, den Standort des heißesten Punktes des Planeten (des „Hot Spots“) zu bestimmen, der von dem Punkt, der die meiste Sternstrahlung empfängt und an dem der Stern am höchsten am Himmel des Planeten steht, leicht nach Osten verschoben ist. Diese Verschiebung wird durch Überschallwinde verursacht, die heiße Luft nach Osten bewegen.

„Die Tatsache, dass wir die Temperatur auf diese Weise kartieren können, ist ein echter Beweis für Webbs Sensibilität und Stabilität“, sagte Co-Autor Michael Roman von der University of Leicester im Vereinigten Königreich.

Um die Karte zu interpretieren, verwendete das Team komplexe 3D-Atmosphärenmodelle, wie sie zum Verständnis von Wetter und Klima auf der Erde verwendet werden. Die Analyse zeigt, dass die Nachtseite möglicherweise von einer dicken, hohen Wolkenschicht bedeckt ist, die verhindert, dass ein Teil des Infrarotlichts in den Weltraum gelangt. Dadurch erscheint die Nachtseite – obwohl sehr heiß – dunkler und kühler, als wenn es keine Wolken gäbe.

Dieser Kartensatz zeigt die Temperatur der sichtbaren Seite des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-43 b, während der Planet seinen Stern umkreist. Die Temperaturen wurden auf der Grundlage von mehr als 8.000 Helligkeitsmessungen von 5 bis 12 Mikrometer Licht im mittleren Infrarotbereich berechnet, die vom Sternensystem und vom Planeten durch MIRI (Mid-Infrared Instrument) am James Webb-Weltraumteleskop der NASA erfasst wurden. Im Allgemeinen gilt: Je heißer ein Objekt ist, desto mehr Licht im mittleren Infrarotbereich strahlt es aus. Bildquelle: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (University of Leicester)

Methanverlust und starker Wind

Das von Webb eingefangene breite Spektrum des Lichts im mittleren Infrarotbereich ermöglichte es auch, die Menge an Wasserdampf zu messen (H₂O) und Methan (CH₄) auf der ganzen Welt. „Webb hat uns die Möglichkeit gegeben, genau zu wissen, welche Moleküle wir sehen, und ihre Häufigkeit einzuschränken“, sagte Co-Autorin Joanna Barstow von der Open University im Vereinigten Königreich.

Die Spektren zeigen deutliche Anzeichen von Wasserdampf sowohl auf der Nacht- als auch auf der Tagseite des Planeten und liefern zusätzliche Informationen darüber, wie dicht die Wolken sind und wie hoch sie in der Atmosphäre aufsteigen.

Überraschenderweise zeigen die Daten auch einen deutlichen Unterschied Verlust Methan überall in der Atmosphäre. Obwohl es auf der Tagseite zu heiß ist, als dass Methan vorhanden wäre (der größte Teil des Kohlenstoffs muss in Form von Kohlenmonoxid vorliegen), sollte Methan auf der kühleren Nachtseite stabil und nachweisbar sein.

„Die Tatsache, dass wir kein Methan sehen, sagt uns, dass WASP-43 b Windgeschwindigkeiten von fast 5.000 Meilen pro Stunde haben muss“, erklärte Barstow. „Wenn Winde das Gas schnell genug von der Tagseite auf die Nachtseite und dann wieder zurück bewegen würden, bliebe nicht genug Zeit für die erwarteten chemischen Reaktionen, um auf der Nachtseite nachweisbare Mengen Methan zu produzieren.“

Das Team geht davon aus, dass aufgrund dieser windgetriebenen Vermischung die Chemie der Atmosphäre auf dem gesamten Planeten die gleiche ist, was aus früheren Arbeiten mit Hubble und Spitzer nicht klar hervorging.

Referenz: „Nachtwolken und Nichtgleichgewichtschemie auf dem heißen Jupiter WASP-43b“ von Taylor J. Bell, Nicolas Crozet und Patricio E. Kobelo, Laura Kreidberg und Anjali A.A. Peet und Michael T. Roman und 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 K. H. 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 und Sebastian Ziba, 30. April 2024, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

Die MIRI-Beobachtung von WASP-43 b wurde im Rahmen der Webb Early Release Science-Programme durchgeführt, die Forschern eine breite Palette robuster, frei zugänglicher Daten zur Untersuchung einer Vielzahl kosmischer Phänomene zur Verfügung stellen.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst die Geheimnisse unseres Sonnensystems, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. WEB ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), geleitet wird.Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.