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 Sextans umkreist. Der Planet umkreist ihn in einer Entfernung von etwa 1,3 Millionen Meilen (0,014 Astronomische Einheiten oder AE) und benötigt für einen Umlauf etwa 19,5 Stunden. Aufgrund seiner Nähe zu seinem Stern ist WASP-43 b wahrscheinlich gezeitengebunden: Seine Rotationsgeschwindigkeit und Umlaufdauer sind gleich, sodass immer eine Seite dem Stern zugewandt ist. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
WASP-43 b ist auf der Nachtseite bewölkt und auf der Tagseite klar, und äquatoriale Winde heulen mit 5.000 Meilen pro Stunde um den Planeten.
Manchmal nicht Etwas zu finden ist genauso aufregend und nützlich wie es zu finden. Heiß nehmen Jupiter WASP-43 b zum Beispiel. Diese von Gezeiten blockierte Welt hat eine brennend heiße, permanente Tagseite und eine etwas kühlere Nachtseite. Astronomen, die Webb verwenden, um die Temperatur zu kartieren und die Atmosphäre rund um den Planeten zu analysieren, erwarteten, Methan, ein häufiges Kohlenstoffmolekül, auf der Nachtseite zu entdecken. Aber es gibt offensichtlich keine Anzeichen dafür. Warum? Das Ergebnis deutet darauf hin, dass Überschallwinde aus heißem Gas von der Tagseite her wehen, die Atmosphäre gründlich aufwirbeln und die chemischen Reaktionen verhindern, die andernfalls 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 WASP-43 b durch die Gezeiten blockiert ist, drehen sich während seiner Umlaufbahn verschiedene Seiten ins Blickfeld. Das System erscheint am hellsten, wenn die heiße Tagseite dem Teleskop zugewandt ist, kurz vor und nach der sekundären Sonnenfinsternis, wenn der Planet hinter dem Stern vorbeizieht. Das System wird dunkler, während der Planet seine Umlaufbahn fortsetzt und die Nachtseite ins Blickfeld rückt. Nach dem Transit, wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht und einen Teil des Sternenlichts blockiert, wird das System wieder heller, während die Tagseite wieder sichtbar wird.
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf 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
Ein internationales Forscherteam hat es erfolgreich eingesetzt NASA‘S James Webb-Weltraumteleskop um das Wetter auf dem heißen Gasriesen Exoplaneten WASP-43 b zu kartieren.
Präzise Helligkeitsmessungen über ein breites Spektrum von Licht im mittleren Infrarotbereich, kombiniert mit 3D-Klimamodellen und früheren Beobachtungen anderer Teleskope, deuten auf das Vorhandensein dichter, hoher Wolken auf der Nachtseite, klaren Himmels auf der Tagseite und äquatorialer Winde über 5.000 Meilen hin pro Stunde, die atmosphärische Gase auf dem Planeten vermischen.
Die Untersuchung ist nur der jüngste Beweis dafür Exoplanet Wissenschaft ist jetzt möglich mit Webbs außergewöhnlicher Fähigkeit, Temperaturschwankungen zu messen und atmosphärische Gase in Billionen von Kilometern Entfernung zu erkennen.
Gezeitengesperrter „Heißer Jupiter“
WASP-43 b ist ein Exoplanet vom Typ „heißer Jupiter“: ähnlich groß wie Jupiter, hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium und viel heißer als jeder der Riesenplaneten in unserem eigenen Sonnensystem. Obwohl sein Stern kleiner und kühler als die Sonne ist, umkreist WASP-43 b eine 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 zahlreichen Teleskopen beobachtet, darunter dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA und dem inzwischen ausgemusterten Spitzer-Weltraumteleskop.
„Mit Hubble konnten wir deutlich erkennen, dass es auf der Tagseite Wasserdampf gibt. Sowohl Hubble als auch Spitzer deuteten an, dass es auf der Nachtseite Wolken geben könnte“, erklärte Taylor Bell, Forscher am Bay Area Environmental Research Institute und Hauptautor einer am 30. April veröffentlichten Studie Naturastronomie. „Aber wir brauchten genauere Messungen von Webb, um wirklich mit der Kartierung der Temperatur, der Wolkendecke, der Winde und einer detaillierteren Atmosphärenzusammensetzung rund um den Planeten beginnen zu können.“
Dieses vereinfachte Diagramm einer Exoplaneten-Phasenkurve zeigt die Änderung der Gesamthelligkeit eines Stern-Planeten-Systems, wenn der Planet den Stern umkreist. Das System sieht heller aus, wenn mehr von der beleuchteten Seite des Planeten dem Teleskop zugewandt ist (Vollphase). Es sieht dunkler aus, wenn mehr von der dunklen Seite dem Teleskop zugewandt ist (neue Phase), wenn der Planet einen Teil des Sternenlichts blockiert (Transit) und wenn das Licht des Planeten vom Stern blockiert wird (sekundäre Sonnenfinsternis).
(Oben) Diagramm, das die Änderung der Phase eines Planeten (die Menge der beleuchteten Seite, die dem Teleskop zugewandt ist) zeigt, während er seinen Stern umkreist.
(Unten) Dreidimensionales Diagramm, das die Änderung der Gesamthelligkeit des Stern-Planeten-Systems zeigt, während der Planet seinen Stern umkreist. In diesem Diagramm, das als Lichtkurve bezeichnet wird, ist die horizontale Ebene die Orbitposition und die vertikale Achse die Helligkeit.
(Rechts) Maßstabsleiste. Sowohl im Orbitaldiagramm als auch in der Lichtkurve zeigt die Farbe die beobachtete Helligkeit des Sterns + Planeten an: von dunkelviolett (weniger Lichtmenge erkannt) bis Weiß (mehr Licht erkannt).
Forscher verwenden Phasenkurven, um Schwankungen des Reflexionsvermögens und der Temperatur eines Planeten mit dem 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, Dani Player (STScI), Andi James (STScI), Greg Bacon (STScI)
Kartieren der Temperatur und Ableiten des Wetters
Obwohl WASP-43 b zu klein, zu schwach und zu nah an seinem Stern ist, als dass ein Teleskop ihn direkt sehen könnte, ist er aufgrund seiner kurzen Umlaufperiode von nur 19,5 Stunden ideal für die Phasenkurvenspektroskopie, eine Technik, bei der winzige Änderungen in der Helligkeit des Sterns gemessen werden Stern-Planeten-System, da der Planet den Stern umkreist.
Da die Menge an Licht im mittleren Infrarotbereich, die von einem Objekt abgegeben wird, 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 Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument), um mehr als 24 Stunden lang alle 10 Sekunden das Licht des WASP-43-Systems zu messen. „Durch die Beobachtung einer gesamten Umlaufbahn konnten wir die Temperatur verschiedener Seiten des Planeten berechnen, während sie in Sichtweite rotieren“, erklärte Bell. „Daraus könnten wir eine grobe Karte der Temperatur auf dem gesamten Planeten erstellen.“
Die Messungen zeigen, dass die Tagesseite eine Durchschnittstemperatur von fast 2.300 Grad aufweist Fahrenheit (1.250 Grad Celsius) – heiß genug, um Eisen zu schmieden. Mittlerweile ist es auf der Nachtseite mit 600 Grad Celsius deutlich kühler. Die Daten helfen auch dabei, den heißesten Punkt auf dem Planeten (den „Hotspot“) zu lokalisieren, der von dem Punkt, der die meiste Sternstrahlung empfängt und an dem der Stern am höchsten am Planetenhimmel steht, leicht nach Osten verschoben ist. Diese Verschiebung erfolgt aufgrund von Überschallwinden, die erwärmte 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 Michael Roman, Co-Autor 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 wahrscheinlich von einer dicken, hohen Wolkenschicht bedeckt ist, die einen Teil des Infrarotlichts daran hindert, in den Weltraum zu gelangen. Dadurch sieht die Nachtseite zwar sehr heiß, aber dunkler und kühler aus, 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 Stern-Planeten-System durch MIRI (das Mittelinfrarot-Instrument) am James Webb-Weltraumteleskop der NASA erfasst wurden. Im Allgemeinen gilt: Je heißer ein Objekt ist, desto mehr Licht im mittleren Infrarotbereich gibt es ab. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (University of Leicester)
Fehlendes Methan und starker Wind
Das von Webb eingefangene breite Spektrum des mittleren Infrarotlichts ermöglichte auch die Messung der Wasserdampfmenge (H2O) und Methan (CH4) rund um den Planeten. „Webb hat uns die Möglichkeit gegeben, genau herauszufinden, welche Moleküle wir sehen, und die Häufigkeit einzuschränken“, sagte Joanna Barstow, eine Co-Autorin 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 dick die Wolken sind und wie hoch sie sich in der Atmosphäre erstrecken.
Überraschenderweise zeigen die Daten auch eine deutliche Mangel von Methan irgendwo in der Atmosphäre. Obwohl es auf der Tagseite zu heiß ist, als dass Methan vorhanden wäre (der größte Teil des Kohlenstoffs dürfte 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 etwa 5.000 Meilen pro Stunde haben muss“, erklärte Barstow. „Wenn Winde Gas schnell genug von der Tag- zur Nachtseite und wieder zurück bewegen, bleibt 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 Atmosphärenchemie rund um den Planeten gleich ist, was bei früheren Arbeiten mit Hubble und Spitzer nicht erkennbar war.
Referenz: „Nachtwolken und Ungleichgewichtschemie auf dem heißen Jupiter WASP-43b“ von Taylor J. Bell, Nicolas Crouzet, Patricio E. Cubillos, Laura Kreidberg, Anjali AA Piette, Michael T. Roman, Joanna K. Barstow, Jasmina Blecic, Ludmila Carone, Louis-Philippe Coulombe, Elsa Ducrot, Mark Hammond, João M. Mendonça, Julianne I. Moses, Vivien Parmentier, Kevin B. Stevenson, Lucas Teinturier, Michael Zhang, Natalie M. Batalha, Jacob L. Bean, Björn Benneke , Benjamin Charnay, Katy L. Chubb, Brice-Olivier Demory, Peter Gao, Elspeth KH Lee, Mercedes López-Morales, Giuseppe Morello, Emily Rauscher, David K. Sing, Xianyu Tan, Olivia Venot, Hannah R. Wakeford, Keshav Aggarwal , Eva-Maria Ahrer, Munazza K. Alam, Robin Baeyens, David Barrado, Claudio Caceres, Aarynn L. Carter, Sarah L. Casewell, Ryan C. Challener, Ian JM Crossfield, Leen Decin, Jean-Michel Désert, Ian Dobbs- Dixon, Achrène Dyrek, Néstor Espinoza, Adina D. Feinstein, Neale P. Gibson, Joseph Harrington, Christiane Helling, Renyu Hu, Nicolas Iro, Eliza M.-R. Kempton, Sarah Kendrew, Thaddeus D. Komacek, Jessica Krick, Pierre-Olivier Lagage, Jérémy Leconte, Monika Lendl, Neil T. Lewis, Joshua D. Lothringer, Isaac Malsky, Luigi Mancini, Megan Mansfield, Nathan J. Mayne, Thomas M . Evans-Soma, Karan Molaverdikhani, Nikolay K. Nikolov, Matthew C. Nixon, Enric Palle, Dominique JM Petit dit de la Roche, Caroline Piaulet, Diana Powell, Benjamin V. Rackham, Aaron D. Schneider, Maria E. Steinrueck, Jake Taylor, Luis Welbanks, Sergei N. Yurchenko, Xi Zhang und Sebastian Zieba, 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 einen umfangreichen Satz robuster, frei zugänglicher Daten für die Untersuchung einer Vielzahl kosmischer Phänomene zur Verfügung stellen.
Das James Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern ESA geleitet wird (Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.