Skyer dækker natsiden af ​​den varme exoplanet WASP-43b

På dette kort er de målte temperaturer mellem 600°C og 1250°C. I modsætning hertil opnår Jupiter, gasgiganten i solsystemet, ved hjælp af sammenlignelige observationer frost -135°C.

Selvom det ligner Jupiter i størrelse og masse, er det en meget anderledes verden. WASP-43b opretholder en usædvanlig snæver bane omkring sin værtsstjerne, WASP-43, og bevæger sig kun to stjernediametre over stjernens overflade, mens den fuldfører sin bane på kun 19,5 timer. Den lille adskillelse resulterede i, at planetens dag og år blev synkroniseret. Med andre ord tager det at dreje rundt om stjernen den samme tid, som planeten skal rotere om sin akse. Derfor lyser og opvarmer stjernen altid den samme side af planeten.

Vinde fører luften til den modsatte halvkugle, hvor den afkøles i evig nat. Men på WASP-43b er disse vinde ekstremt voldsomme, med vindhastigheder, der når næsten 9.000 km/t, hvilket er ud over noget, vi er vidne til i solsystemet. Til sammenligning er selv Jupiters stærkeste vinde kun en mild brise.

Vanddamp, flydende stenskyer og en overraskende mangel på metan

"Med Hubble kunne vi tydeligt se, at der er vanddamp om dagen. Både Hubble og Spitzer foreslog, at der kunne være skyer på natsiden," forklarede Bell. "Men vi havde brug for mere præcise målinger fra JWST for virkelig at begynde at kortlægge temperatur, skydække, vinde og mere detaljeret atmosfærisk sammensætning hele vejen rundt om planeten."

JWST-observationerne fandt, at temperaturkontrasten mellem dag- og natsiden var stærkere, end man ville forvente for en skyfri atmosfære. Modelberegninger bekræfter, at planetens natside er indhyllet i et tykt lag af skyer højt oppe i atmosfæren, som blokerer for meget af den infrarøde stråling nedefra, vi ellers ville se.

De nøjagtige typer af skyer er stadig ukendte. Det er klart, at de ikke vil være vandskyer som dem på Jorden, endsige de ammoniakskyer, vi ser på Jupiter, da planeten er alt for varm til, at vand og ammoniak kan kondensere. I stedet er der større sandsynlighed for, at skyer lavet af sten og mineraler er til stede ved disse temperaturer. Derfor bør vi forvente skyer lavet af flydende stendråber. På den anden side ser den varmere dagside af WASP-43b ud til at være skyfri.

For at undersøge den atmosfæriske sammensætning mere detaljeret, producerede holdet spektre, det vil sige, at de dekomponerede det modtagne infrarøde lys i små bølgelængdeafsnit, der ligner en regnbue, der afslører sollysets farvekomponenter. Denne metode gjorde det muligt for dem at identificere signaturerne af individuelle kemiske forbindelser, der udstråler ved specifikke bølgelængder.

Som et resultat bekræftede astronomerne tidligere målinger af vanddamp, men nu over hele planeten. Hubble var kun i stand til at studere dagsiden, da natsiden var for mørk til at genkende molekyler der. JWST, med sin højere følsomhed, fuldender nu billedet.

Derudover er varme Jupitere typisk vært for store mængder molekylært brint og kulilte, som begge ikke kunne undersøges med holdets observationer. Men når de udsættes for den køligere natside, deltager brint og kulilte i en række reaktioner, der ville producere metan og vand. MIRI fandt dog ingen metan.

Astronomerne forklarer denne overraskelse med de enorme vindhastigheder på WASP-43b. Reaktionspartnerne passerer den køligere natside så hurtigt, at der er lidt tid tilbage til, at de forventede kemiske reaktioner producerer påviselige mængder metan. Enhver lille fraktion af metan bliver grundigt blandet med de andre gasser. Den når hurtigt ud til dagssiden igen, hvor den bliver udsat for den ødelæggende varme.

"Med den nye observationskraft fra JWST er WASP-43b blevet afsløret i hidtil usete detaljer," sagde Laura Kreidberg, direktør ved Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, Tyskland. Hun er medforfatter til den underliggende forskningsartikel og har udforsket planeten i et årti.

"Vi ser en kompleks, ugæstfri verden med rasende vinde, massive temperaturændringer og plettede skyer, der sandsynligvis er lavet af stendråber. WASP-43b er en påmindelse om det store udvalg af klimaer, der er muligt på exoplaneter, og de mange måder, hvorpå Jorden er speciel."

Overvågning af en planetkarrusel

WASP-43b blev opdaget i 2011 via transitmetoden. Når en exoplanets kredsløb er orienteret, så den fra vores perspektiv passerer foran sin værtsstjerne, blokerer okkultationen en lille del af stjernelyset. Disse periodiske fald i stjernernes lysstyrke er et afslørende tegn på et objekt, der kredser om stjernen. Den nøjagtige form gør det muligt at beregne planetens størrelse og kredsløbshældning.

Astronomer udnytter en sekundær effekt til at studere planeten i detaljer. Overvej, at Venus ændrer sin belysning, der ligner månens faser, under sin bane omkring solen. Transiterende exoplaneter præsenterer forskellige faser af infrarød emission på stort set samme måde, afhængigt af hvordan stjernen opvarmer dagen.

At observere den gradvise ændring af proportioner, vi ser af de varme og kølige halvkugler, resulterer i et karakteristisk mønster af, hvordan planetens målte infrarøde lysstyrke varierer over tid. Ved at analysere dette minutsignal, den såkaldte fasekurve, modtog astronomerne fra WASP-43b dem i stand til at konstruere temperaturkortet og lokalisere de gasser, der udgør planetens atmosfære.

Fremtiden er infrarød-lys

En opfølgende undersøgelse af et andet hold ledet af den tidligere MPIA-forsker Stephan Birkmann (European Space Agency, ESA) vil se på WASP-43b med JWST's Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec). Disse målinger vil være følsomme over for kuliltegas, der burde være udbredt i hele atmosfæren.

Derudover vil den udvidede bølgelængdedækning forbedre troværdigheden af ​​MIRI-temperaturkortet og hjælpe med at undersøge skyfordelingen og sammensætningen mere præcist.

Flere oplysninger: Taylor J. Bell et al, Nightside-skyer og uligevægtskemi på den varme Jupiter WASP-43b, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02230-x

Journaloplysninger: Naturastronomi

Leveret af Max Planck Society