Веб-путешествие, чтобы понять странную атмосферу далекого мира

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне конечной звезды подтверждает различия в утренней и вечерней атмосфере.

С момента первого Внесолнечная планета Тысячи планет, вращающихся вокруг звезд за пределами нашей Солнечной системы, были открыты в 1992 году, и их существование было подтверждено множеством различных методов, включая прямое изображение, гравитационное микролинзирование, транзитные измерения и астрономические измерения. С годами методы изучения этих экзопланет развивались, поскольку астрономы узнавали подробности о составе атмосфер этих далеких миров.

НАСА‘s Космический телескоп Джеймса Уэбба Он продолжает развивать эту область исследований и углублять наше понимание разнообразия экзопланет и их атмосфер.

Что нового? Уэбб позволил астрономам проанализировать разницу в атмосфере между утром и вечером на экзопланете, находящейся в приливном состоянии — невероятный подвиг для такого далекого мира, находящегося в 700 световых годах от Земли, как WASP-39 b.

Этот концепт-арт показывает, как могла бы выглядеть экзопланета WASP-39 b, основываясь на непрямых наблюдениях транзита с космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА, а также других космических и наземных телескопов. Авторские права: НАСА, ЕКА, Канадское космическое агентство, Ральф Кроуфорд (Институт космических наук)

Космический телескоп Уэбб наблюдает за вечными восходами и закатами в далеких мирах

Исследователи, использующие космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба, наконец подтвердили то, что предсказывали ранее модели: экзопланета имеет различия между вечной утренней атмосферой и вечной вечерней атмосферой. WASP-39 b, планета-гигант диаметром в 1,3 раза больше нашей планеты. Юпитерно блок аналогичен Сатурн Планета вращается вокруг звезды на расстоянии около 700 световых лет от Земли и приливно связана со своей родительской звездой. Это означает, что у нее есть фиксированная дневная и фиксированная ночная стороны — одна сторона планеты всегда открыта своей звезде, а другая сторона всегда окутана тьмой.

Используя спектрометр ближнего инфракрасного диапазона обсерватории Уэбба, астрономы подтвердили существование разницы температур между вечным утром и вечным вечером на WASP-39 b, причем вечер кажется примерно на 300 градусов по Цельсию жарче. Ф градусов (около 200 Цельсия Они также обнаружили свидетельства разного облачного покрова: постоянная утренняя часть планеты, скорее всего, будет более облачной, чем вечерняя.

В этой анимации показано, как Уэбб использует трансмиссионную спектроскопию для изучения атмосфер далеких экзопланет. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, Канадское космическое агентство, Лия Хостак.

Достижения в изучении экзопланетных атмосфер

Астрономы проанализировали переходный спектр WASP-39 b размером от 2 до 5 микрон — метода, изучающего конечную точку экзопланеты, границу между дневной и ночной стороной планеты. Спектр перехода создается путем сравнения звездного света, проходящего через атмосферу планеты, когда она движется перед звездой, с нефильтрованным звездным светом, обнаруженным, когда планета находится рядом со звездой. Сделав это сравнение, исследователи смогут получить информацию о температуре, составе и других свойствах атмосферы планеты.

«WASP-39 b стала эталонной планетой при изучении атмосфер экзопланет с помощью телескопа Уэбба», — сказал Нестор Эспиноза, исследователь экзопланет из Института космических наук Макса Планка. Научный институт космического телескопа «Планета имеет пухлую атмосферу, поэтому сигнал звездного света, проходящего через атмосферу планеты, очень сильный», — говорит ведущий автор исследования.

Кривая блеска, полученная космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, показывает, как яркость звездной системы WASP-39 меняется со временем по мере прохождения планеты через звезду. Это наблюдение было сделано с использованием режима временных рядов ярких объектов NIRSpec, который использует решетку для рассеяния света от одного яркого объекта (например, родительской звезды WASP-39 b) и измерения яркости каждой длины волны света в определенные интервалы времени. Авторские права: НАСА, ЕКА, Канадское космическое агентство, Ральф Кроуфорд (Институт космических наук)

Понимание температуры и состава атмосферы

Ранее опубликованные спектры Уэбба атмосферы WASP-39b, показавшие наличие углекислого газа, диоксида серы, водяного пара и натрия, представляют всю границу дня и ночи – и не было предпринято никаких детальных попыток отличить одну сторону от другой.

Теперь новый анализ строит два разных спектра конечной зоны, разделяя границу дня и ночи на два полукруга: вечерний и утренний. Данные показывают, что вечер был заметно жарче, с температурой 1450°F (800°C), а утро было сравнительно прохладнее, с температурой 1150°F (600°C).

Этот проникающий спектр, полученный в режиме временных рядов ярких объектов с помощью прибора спектрографа ближнего инфракрасного диапазона обсерватории Уэбба (PRISM), показывает количество звездного света в ближнем инфракрасном диапазоне, блокируемого атмосферой экзопланеты горячего газового гиганта WASP-39 b. Спектр ясно демонстрирует наличие воды и углекислого газа, а также разницу температур утром и вечером на экзопланете.
Новое исследование спектра светопропускания WASP-39 b показало, что на экзопланете существуют два разных спектра фиксированных границ дня и ночи, разделяющих эту конечную зону на два полукруга: вечерний и утренний. Данные показывают, что вечер был заметно жарче, с температурой 1450°F (800°C), а утро было относительно прохладнее, с температурой 1150°F (600°C).
Синие и желтые линии представляют собой лучшую модель, учитывающую данные и известные свойства WASP-39 b и ее звезды (например, размер, массу, температуру), а также предполагаемые свойства атмосферы.
Авторские права: НАСА, ЕКА, Канадское космическое агентство, Ральф Кроуфорд (Научный институт космического телескопа)

Последствия изменения температуры

«Поистине удивительно, что мы можем анализировать такую ​​небольшую разницу, и это возможно только благодаря чувствительности Уэбба в ближнем инфракрасном диапазоне волн и высокостабильным оптическим датчикам», — сказал Эспиноза. «Любое небольшое движение в устройстве или обсерватории во время сбора данных серьезно ограничило бы наши возможности сделать это открытие. Оно должно было быть чрезвычайно точным, и это именно то, чем является Уэбб».

Комплексное моделирование полученных данных также позволяет исследователям изучить структуру атмосферы WASP-39 b, ее облачный покров и почему вечера жарче. Хотя будущая работа команды будет посвящена изучению того, как облачный покров может влиять на температуру и наоборот, астрономы подтвердили, что вращение газа вокруг планеты является основной причиной разницы температур на WASP-39 b.

Понимание планетарных ветровых режимов и динамики температуры

На экзопланете с высокой яркостью, такой как WASP-39 b, которая вращается относительно близко к своей звезде, исследователи обычно ожидают, что газ будет двигаться по мере вращения планеты вокруг своей звезды: самый горячий газ должен двигаться с дневной стороны вечером на ночную сторону через сильный экваториальный полюс. реактивная струя. Поскольку разница температур настолько велика, разница атмосферного давления также будет большой, что, в свою очередь, приведет к высокой скорости ветра.

Используя модели общей циркуляции, трехмерные модели, подобные тем, которые используются для прогнозирования погодных условий на Земле, исследователи обнаружили, что преобладающие ветры на WASP-39 b, вероятно, движутся с ночной стороны через утреннюю финишную линию, вокруг дневной стороны и через вечерний финиш, а потом О ночной стороне. В результате на утренней стороне финиша прохладнее, чем на вечерней. Другими словами, на утреннюю сторону дуют прохладные воздушные ветры с ночной стороны, а на вечернюю сторону — теплые воздушные ветры с дневной стороны. Исследования показывают, что скорость ветра на планете WASP-39 b может достигать тысяч миль в час!

Будущие направления исследований и ранние научные вклады Уэбба

«Этот анализ особенно интересен еще и потому, что вы получаете трехмерную информацию о планете, которой раньше не получали», — добавил Эспиноза. «Поскольку мы можем сказать, что вечерний край более горячий, это означает, что он немного более выпуклый. Таким образом, теоретически на конечном крае есть небольшая выпуклость, которая приближается к ночной стороне планеты».

Результаты команды были опубликованы в журнале природа.

Теперь исследователи будут стремиться использовать тот же метод анализа для изучения атмосферных изменений других горячих юпитеров, ограниченных приливами, в рамках программы генеральных наблюдателей WEP 3969.

WASP-39 b был среди первых целей, которые Уэбб проанализировал, когда он начал регулярные научные операции в 2022 году. Данные в этом исследовании были собраны в рамках программы Early Science Release 1366, которая призвана помочь ученым быстро научиться использовать инструменты телескопа и реализовать свой научный потенциал.

Ссылка: «Гетерогенные окончания на экзопланете WASP-39 b» Нестора Эспинозы и Марии Э. Стейнрок, Джеймс Кирк и Райан Дж. Макдональд и Арджун Б. Сэвилл, Кеннет Арнольд и Элиза М.-Р. Кемптон, Мэттью М. Мерфи, Людмила Кароне, Мария Замятина, Дэвид А. Льюис, Доминик Самра, Свен Кифер, Эмили Раушер, Дункан Кристи, Нэйтан Мейн, Кристиана Хеллинг, Зафар Рустамкулов, Вивьен Парментье, Эрин М. Мэй, Аринн Л. Картер, Си Чжан, Мерседес Лопес-Моралес, Натали Аллен, Жасмина Блечич, Лин Дечин, Луиджи Манчини, Каран Молавердихани, Бенджамин В. Рэкхэм, Энрик Палле, Шан-Мин Цай, Ева-Мария Арер, Джейкоб Л. Бин, Ян Дж.М. Кроссфилд, Дэвид Хегеле, Эрик Хебрар, Лаура Крейдберг, Диана Пауэлл, Аарон Д. Шнайдер, Луис Уэлбанкс, Питер Уитли, Рафаэль Брам и Николя Крузе, 15 июля 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07768-4

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) — крупная космическая обсерватория, запущенная 25 декабря 2021 года. Это совместный проект с участием НАСА, Гарвардского университета и Гарвардского университета. Европейское космическое агентство (ESA) и Канадское космическое агентство (CSA). Являясь научным преемником программы Космический телескоп ХабблТелескоп Джеймса Уэбба спроектирован так, чтобы обеспечить беспрецедентное разрешение и чувствительность в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. Эта способность позволяет астрономам изучать каждый этап космической истории — начиная с первых вспышек. великий взрывТелескоп Джеймса Уэбба, расположенный во второй точке Лагранжа (L2), будет исследовать широкий спектр научных вопросов, помогая по-новому взглянуть на структуру и происхождение Вселенной.