Webbs Reise, um die seltsame Atmosphäre einer fernen Welt zu verstehen

Nahinfrarot-Spektralanalyse von Terminator bestätigt Unterschiede in der Morgen- und Abendatmosphäre.

vom ersten außerirdisch Tausende von Planeten, die 1992 entdeckt wurden und Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen, wurden durch unzählige verschiedene Methoden bestätigt, darunter direkte Bildgebung, Gravitationsmikrolinsen, Messung von Transiten und Astrophysik. Im Laufe der Jahre haben sich Techniken zur Untersuchung dieser Exoplaneten weiterentwickelt und Astronomen erfahren mehr über die Atmosphärensysteme dieser fernen Welten.

NASAS Das James-Webb-Weltraumteleskop Diese Forschung bringt das Gebiet weiter voran und vertieft unser Verständnis der Vielfalt von Exoplaneten und ihrer Atmosphären.

Das Neueste? Das Internet hat es Astronomen ermöglicht, atmosphärische Unterschiede zwischen Morgen und Abend auf einem gezeitengebundenen Exoplaneten zu analysieren – eine unglaubliche Leistung für eine Welt, die so weit entfernt ist wie WASP-39 b, 700 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Das Konzept dieses Künstlers zeigt, wie der Exoplanet WASP-39 b aussehen könnte, basierend auf indirekten Transitbeobachtungen des James Webb-Weltraumteleskops der NASA und anderer weltraum- und bodengestützter Teleskope. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Das Web-Weltraumteleskop untersucht ewige Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge auf fernen Welten

Forscher des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA haben endlich bestätigt, was frühere Modelle vorhersagten: Ein Exoplanet weist Unterschiede zwischen seiner ewigen Morgen- und seiner ewigen Abendatmosphäre auf. Ein Riesenplanet mit einem Durchmesser, der 1,3-mal größer als WASP-39 b ist DonnerstagAber ähnliche Masse Sa Er umkreist einen etwa 700 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern und ist gezeitenmäßig mit seinem Mutterstern verbunden. Das bedeutet, dass es einen konstanten Tag und eine konstante Nacht gibt – eine Seite des Planeten ist immer seinem Stern ausgesetzt, während die andere immer in Dunkelheit gehüllt ist.

Mit Webbs NIRSpec (Nahinfrarotspektrometer) bestätigten Astronomen den Temperaturunterschied zwischen ewigem Morgen und ewigem Abend auf WASP-39 b, wobei der Abend etwa 300 Grad wärmer zu sein schien. Fahrenheit Grad (ca. 200 Celsius Grad). Sie fanden auch Hinweise auf eine unterschiedliche Bewölkung, wobei der Morgenteil des Planeten immer bewölkter war als der Abend.

Diese Animation beschreibt, wie Webb Transmissionsspektroskopie nutzt, um die Atmosphären entfernter Planeten zu untersuchen. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Fortschritte in der Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten

Astronomen analysierten das 2- bis 5-Mikrometer-Transmissionsspektrum von WASP-39 b, einer Technik zur Untersuchung des Terminators eines Exoplaneten, der Grenze, die die Tag- und Nachtregionen des Planeten trennt. Ein Transmissionsspektrum wird erstellt, indem Sternenlicht, das durch die Atmosphäre eines Planeten gefiltert wird, während er sich vor dem Stern bewegt, mit ungefiltertem Sternenlicht verglichen wird, das erkannt wird, wenn der Planet sich in der Nähe des Sterns befindet. Durch diesen Vergleich können Forscher Informationen über die Temperatur, Zusammensetzung und andere Eigenschaften der Atmosphäre des Planeten erhalten.

„WASP-39 b ist zu einer Art Schlüsselplanet für die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten über das Internet geworden“, sagte Exoplanetenforscher Nestor Espinosa. Wissenschaftliches Institut für Weltraumteleskope und Hauptautor der Studie. „Es hat eine bauschige, bauschige Atmosphäre, daher ist das Signal des durch die Atmosphäre des Planeten gefilterten Sternenlichts sehr stark.“

Eine Lichtkurve aus dem NIRSpec (Nahinfrarotspektrum) des James Webb-Weltraumteleskops der NASA zeigt die Änderung der Helligkeit des WASP-39-Sternsystems im Laufe der Zeit, wenn der Planet den Stern passiert. Die Beobachtung wurde mit dem Zeitreihenmodus für helle Objekte von NIRSpec durchgeführt, der ein Gitter verwendet, um Licht von einem hellen Objekt (wie dem Wirtsstern von WASP-39 b) zu streuen und die Helligkeit jeder Lichtwellenlänge in bestimmten Intervallen zu messen. Zeit. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Informationen zu Temperatur und atmosphärischer Zusammensetzung

Zuvor veröffentlichte Webspektren der Atmosphäre von WASP-39b zeigten das Vorhandensein von Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Wasserdampf und Natrium, was auf eine vollständige Tag-/Nachtgrenze hindeutet – ohne dass ein ausführlicher Versuch unternommen wurde, eine Seite von der anderen zu unterscheiden.

Die neue Analyse erzeugt nun zwei unterschiedliche Spektren aus der Terminatorregion und teilt die Tag-Nacht-Grenze im Wesentlichen in zwei Halbkreise, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Daten zeigen, dass der Abend heißer ist, etwa 1.450 Grad Fahrenheit (800 Grad Celsius), und der Morgen mit 1.150 Grad Fahrenheit (600 Grad Celsius) relativ kühler ist.

Dieses Transmissionsspektrum, das mit Webbs NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) PRISM-Modus für helle Objekte und Zeitreihen aufgenommen wurde, zeigt die Menge an infrarotem Sternenlicht, das von der Atmosphäre des heißen Gasriesen-Exoplaneten WASP-39 b blockiert wird. Das Spektrum zeigt deutliche Hinweise auf Wasser und Kohlendioxid sowie eine Temperaturschwankung zwischen Morgen und Abend auf dem Exoplaneten.
Eine neue Analyse des Transmissionsspektrums von WASP-39 b zeigt, dass die konstante Tag-/Nachtgrenze auf dem Exoplaneten zwei unterschiedliche Spektren erzeugt und diese Terminatorregion im Wesentlichen in zwei Halbkreise unterteilt, einen vom Abend und einen vom Morgen. Die Daten zeigen, dass der Abend heißer ist, etwa 1.450 Grad Fahrenheit (800 Grad Celsius), und der Morgen mit 1.150 Grad Fahrenheit (600 Grad Celsius) relativ kühler ist.
Die blauen und gelben Linien stellen ein am besten geeignetes Modell dar, das die bekannten Eigenschaften von WASP-39 b und seinem Stern (z. B. Größe, Masse, Temperatur) sowie die abgeleiteten Eigenschaften der Atmosphäre berücksichtigt.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Auswirkungen von Temperaturschwankungen

„Unsere Fähigkeit, diesen kleinen Unterschied zu analysieren, ist wirklich atemberaubend und ist nur aufgrund der Empfindlichkeit des Netzes über Infrarotwellenlängen und seiner äußerst stabilen photometrischen Sensoren möglich“, sagte Espinosa. „Jede kleine Bewegung im Instrument oder im Observatorium während der Datenerfassung hätte unsere Fähigkeit, diese Erkennung durchzuführen, erheblich eingeschränkt. Sie muss außerordentlich genau sein, und das Internet ist genau das.“

Eine detaillierte Modellierung der gewonnenen Daten ermöglicht es den Forschern, die Zusammensetzung der Atmosphäre von WASP-39 b, die Bewölkung und die Gründe dafür zu untersuchen, warum der Abend warm ist. Während die zukünftige Arbeit des Teams untersuchen wird, wie sich die Wolkendecke auf die Temperatur auswirken kann, bestätigten Astronomen, dass die Gaszirkulation um den Planeten die Hauptursache für den Temperaturunterschied in WASP-39 b ist.

Verständnis der planetarischen Windmuster und Temperaturdynamik

Bei einem stark strahlenden Exoplaneten wie WASP-39 b, der seinen Stern sehr nahe umkreist, gehen Forscher normalerweise davon aus, dass sich das Gas bewegt, während der Planet seinen Stern umkreist: Heißes Gas vom Tag muss mit großer Kraft durch die Nacht strömen. Äquatorialer Jetstream. Da der Temperaturunterschied größer ist, wird der Luftdruckunterschied erheblich sein, was zu höheren Windgeschwindigkeiten führt.

Mithilfe allgemeiner Zirkulationsmodelle, dreidimensionaler Modelle zur Vorhersage des Erdwetters, stellten die Forscher fest, dass sich die vorherrschenden Winde in WASP-39 b den ganzen Tag über von der Nachtseite um den Morgenterminator bewegen. Abendterminator dann die ganze Nacht. Dadurch ist die Morgenseite des Terminators kühler als die Abendseite. Mit anderen Worten: Die Morgenseite wird nachts von Winden kühlerer Luft angeblasen, während die Abendseite tagsüber von Winden wärmerer Luft angeweht wird. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Windgeschwindigkeiten auf WASP-39 b Tausende von Meilen pro Stunde erreichen könnten!

Zukünftige Forschungsrichtungen und frühe wissenschaftliche Beiträge des Webs

„Diese Analyse ist wirklich interessant, weil man 3D-Informationen erhält, die man auf dem Planeten noch nie zuvor hatte“, sagte Espinosa. „Weil es abends warm ist, ist es ein wenig schwül. Theoretisch gibt es also eine kleine Ausbuchtung im Terminator, die sich der Nacht des Planeten nähert.

Die Ergebnisse des Panels werden in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Im Rahmen des Web Cycle 2-Publikumsprojekts 3969 werden die Forscher nun dieselbe Analysemethode verwenden, um die atmosphärischen Variationen anderer gezeitengebundener heißer Jupiter zu untersuchen.

WASP-39 b ist eines der ersten von Webb analysierten Ziele, das 2022 den regulären wissenschaftlichen Betrieb aufnimmt. Die Daten dieser Studie wurden im Rahmen des Early Launch Science Project 1366 gesammelt, das Wissenschaftlern helfen wird, schnell zu lernen, wie man die Instrumente des Teleskops nutzt und realisiert. Volle wissenschaftliche Leistungsfähigkeit.

Referenz: „Inhomogene Terminatoren auf dem Exoplaneten WASP-39 b“ von Néstor Espinoza, Maria E. Steinrück, James Kirk, Ryan J. MacDonald, Arjun B. Savel, Kenneth Arnold, Eliza M.-R. Kempton, Matthew M. Murphy, Ludmila Caron, Maria Zamyadina, David A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christian Helling, Zafar Rustamkulov, Vivian Parmentier, Erin M. Mai, Arin L. Carter, Ji Zhang, Mercedes Lopez-Morales, Natalie Allen, Jasmina Plessic, Leanne Dessin, Luigi Mancini, Karan Molaverticani, Benjamin V. Rackham, Enrique Balle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean. Crossfield, David Hagel, Eric Hebrat, Laura Kreitberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Louis Welbanks, Peter Wheatley, Raphael Brahm und Nicolas Creuset, 15. Juli 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

Das James Webb Space Telescope (JWST) ist ein großes weltraumgestütztes Observatorium, das am 25. Dezember 2021 ins Leben gerufen wurde. Es handelt sich um ein Gemeinschaftsprojekt der NASA. Europäische Weltraumorganisation (ESA) und der Canadian Space Agency (CSA). Als Nachfolger der Wissenschaft Hubble-WeltraumteleskopJWST ist darauf ausgelegt, beispiellose Auflösungen und Empfindlichkeiten im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums zu bieten. Diese Fähigkeit ermöglicht es Astronomen, jede Phase der kosmischen Geschichte zu studieren – seit den ersten Blitzen Urknall, die Bildung von Sonnensystemen, die Leben auf erdähnlichen Planeten ermöglichen können, und die Entwicklung unseres eigenen Sonnensystems. Am zweiten Lagrange-Punkt (L2) positioniert, wird JWST ein breites Spektrum wissenschaftlicher Fragen untersuchen und dabei helfen, neue Erkenntnisse über die Struktur und den Ursprung des Universums zu gewinnen.