JWST spatřil na cizí planetě něco zvláštního na rozhraní mezi dnem a nocí

James Webb Space Telescope (JWST) odhalil, že východní a západní strana exoplanety WASP-121 b má překvapivě odlišné atmosféry. Astronomové používající JWST objevili výrazné rozdíly mezi ranní a večerní stranou atmosféry planety WASP-121 b, ultrahorkého plynného obra nacházejícího se daleko za hranicemi naší Sluneční soustavy. Tato zjištění poskytují dosud nejjasnější důkaz o tom, že podmínky podél hranice dne a noci planety, známé jako terminátor, se dramaticky liší od jedné strany ke druhé.

Výzkumný tým, který vedl Cyril Gapp, doktorand z Max Planckova institutu pro astronomii (MPIA) v německém Heidelbergu, detekoval atmosférické rozdíly, které vědci již dříve předpovídali pomocí teoretických modelů, ale nikdy je tak podrobně přímo nepozorovali.

JWST odhaluje rozdíly mezi úsvitem a soumrakem
Tento objev vychází z měření infračerveného světla z hostitelské hvězdy, když před ní prochází exoplaneta WASP-121 b. Během těchto přechodů část světla hvězdy prochází atmosférou planety, než dosáhne Země. Analýzou toho, jak se toto světlo mění, se astronomové mohou dozvědět o teplotách atmosféry a jejím chemickém složení.

Pozorování odhalila nerovnováhu v tom, jak je infračervené světlo absorbováno na obou stranách terminátoru planety. Podle výzkumníků tato asymetrie poukazuje na významné rozdíly v teplotě a chemickém složení atmosféry mezi oblastmi úsvitu a soumraku.

„Díky své bezprecedentní pozorovací kvalitě nám JWST poskytuje dosud nejpodrobnější pohledy na vzdálené planety. Měřením toho, jak se mění absorpce hvězdného světla s rotací WASP-121 b, zkoumáme postupně různou zeměpisnou délku její atmosféry,“ řekl Cyril Gapp, MPIA.

Data ukazují, že večerní terminátor absorbuje více hvězdného světla než ranní terminátor. To odpovídá existujícím teoriím, které naznačují, že silné větry přenášejí teplo z intenzivně horké denní strany směrem k chladnější noční straně. Jak se tyto větry pohybují na východ s rotací planety, ohřívají večerní stranu. Vyšší teploty způsobují rozpínání atmosféry v této oblasti, čímž se zvětšuje zdánlivá velikost planety a umožňuje jí absorbovat více záření hvězdy.

Připojený obrázek ukazuje pohled shora na oběžnou dráhu exoplanety WASP-121 b kolem mateřské hvězdy. Rotace planety je synchronizovaná s její oběžnou dráhou, přičemž obě periody trvají přibližně 30 hodin. V důsledku toho je planeta neustále otočena ke hvězdě stejnou stranou, což vytváří odlišné denní a noční strany. Přechodové zóny mezi těmito polokoulemi jsou ranní a večerní oblasti. Vzhledem k blízkosti planety k centrální hvězdě odpovídající pouze 1,9 průměru hvězdy, se planeta během svého tranzitu pootočí o přibližně 30 stupňů.

Pozorování z přístroje NIRSpec (Near-infrared spectrograph) teleskopu JWST také odhalila silnější signál oxidu uhelnatého (CO) ke konci tranzitu spolu s mírným celkovým poklesem jasnosti. Vědci se domnívají, že silnější signál je spíše důsledkem změn teploty než skutečného nárůstu množství oxidu uhelnatého.

Voda (H2O) však zřejmě vypráví jiný příběh. Měření naznačují skutečný pokles molekul vody v atmosféře. Horní vrstvy atmosféry se zahřívají natolik, že rozkládají molekuly vody na jejich jednotlivé složky. Toto zjištění poskytuje další důkaz, že intenzivní vítr ohřívá večerní terminátor.

Planeta s trvalým dnem a nocí
Detekce těchto jemných atmosférických rozdílů vyžadovala využití společné charakteristiky mnoha exoplanet s horkým plynem. Protože obíhají velmi blízko svých hvězd, slapové síly postupně synchronizují jejich rotaci a oběžné periody. V důsledku toho je jedna strana trvale otočena ke hvězdě, zatímco opačná strana zůstává v neustálé tmě. WASP-121 b představuje jeden z nejextrémnějších příkladů tohoto jevu.

„WASP-121b je obzvláště extrémní, s průměrnými teplotami na denní polokouli kolem 2770 kelvinů, zatímco na noční straně se teploty blíží přibližně 1000 kelvinům,“ vysvětluje spoluautor Tom Evans-Soma z University of Newcastle v Austrálii. Tyto teploty odpovídají téměř 2 500 stupňům Celsia na denní straně a přibližně 725 stupňům Celsia na noční straně.

Jak planeta prochází před svou hvězdou, mírně se otáčí. Tato malá změna umožňuje astronomům pozorovat různé části atmosféry během tranzitu. Ačkoliv většina viditelné polokoule je na noční straně, pozorovací geometrie poskytuje také částečný pohled na jasnější denní stranu, a to jak za úsvitu, tak za soumraku. Strana před oběžnou dráhou odpovídá ránu, zatímco zadní strana odpovídá večeru.

Vědci používají spektrografy k rozdělení přicházejícího světla na jeho jednotlivé vlnové délky, podobně jako hranol rozděluje sluneční záření na duhu. Protože různé plyny absorbují specifické vlnové délky, mohou vědci identifikovat chemické složky přítomné v atmosféře.

Sledování atmosférických změn na planetě
S tím, jak WASP-121 b během tranzitu rotuje, se atmosférický signál v průběhu času mění. Tyto časové variace lze převést do rozdílů napříč zeměpisnou délkou planety. V případě WASP-121 b se planeta během celého tranzitu otočí zhruba o 30 stupňů. Tato hodnota stačí k rozlišení ranního (úsvitu) a večerního (soumraku) terminátoru s pozoruhodnou přesností.

Astronomové obvykle kombinují data z celého tranzitu, aby vylepšili signál. V této studii však Gapp a jeho kolegové umožnili, aby se signál během tranzitu měnil s rotací planety. Statistická analýza ukázala, že tento přístup výrazně lépe odpovídá pozorováním a poskytuje silný důkaz o tom, že detekované atmosférické rozdíly jsou skutečné.

Možná role minerálních oblaků
Aby vědci otestovali, zda by teplotní rozdíly mohly vysvětlit pozorování, použili atmosférické modely, které simulují, jak se teplo pohybuje horními vrstvami plynného obra. Modely úspěšně reprodukovaly obecnou asymetrii očekávanou od teplotních změn v atmosféře. Skutečná pozorování však ukázala silnější efekt, než simulace předpovídaly.

Tento rozpor vedl vědce k podezření, že na ranní straně planety mohou probíhat další ochlazující procesy. Jednou z možností jsou oblaka. Předchozí studie naznačovaly, že WASP-121 b může obsahovat oblaka tvořená nikoliv kapkami vody, ale minerály, jako jsou silikáty. Taková oblaka mohou blokovat infračervené záření stoupající z teplejších vrstev pod nimi, takže atmosféra vypadá chladněji, než ve skutečnosti je.

Modelování tvorby oblaků, kondenzace a odpařování v neustále se měnící planetární atmosféře zůstává extrémně náročné. V důsledku toho mnoho atmosférických modelů, včetně těch použitých v této studii, plně nezohledňuje oblaka, což může vést k neúplným předpovědím.

Když vědci upravili své simulace tak, aby přibližně popsali vliv oblaků na infračervené záření, výsledky se více shodovaly s pozorováními. I tak bude zapotřebí pokročilejšího modelování, než budou vědci moci s jistotou potvrdit přítomnost oblaků.

Nový způsob studia extrémních exoplanet
Očekává se, že budoucí vylepšení atmosférických modelů tuto techniku ještě více posílí. Výzkumníci již identifikovali další ultrahorké plynné obří planety se správnými teplotami a rychlostmi rotace pro podobná pozorování. Aplikací stejné metody na více světů astronomové doufají, že vytvoří větší vzorek, který odhalí, jak se atmosférické podmínky mění v závislosti na zeměpisné délce a zda se mezi těmito extrémními planetami objevují společné vzorce.

Zdroj: https://scitechdaily.com/james-webb-spots-something-strange-between-day-and-night-on-an-alien-planet/

autor: František Martinek