Dessa simulerade vyer av den ultraheta Jupiter WASP-121b visar hur planeten kan se ut för det mänskliga ögat från fem olika utsiktspunkter, var och en upplyst i olika grad av sin moderstjärna. Bilderna gjordes med en datorsimulering som används för att hjälpa forskare att förstå atmosfären på dessa planeter. Ultraheta Jupiters reflekterar nästan inget ljus, ungefär som kol. Dock, deras dagsidor har temperaturer på mellan 3, 600 F och 5, 400 F, så de producerar sin egen glöd som en het glöd. Den orange färgen i denna simulerade bild kommer alltså från planetens egen värme. Kredit:NASA/JPL-Caltech/Vivien Parmentier/Aix-Marseille University (AMU)
Nyligen genomförda observationer från NASA:s rymdteleskop Hubble och Spitzer av ultraheta Jupiterliknande planeter har förbryllat teoretiker. Spektrana för dessa planeter har föreslagit att de har exotiska – och osannolika – sammansättningar.
Dock, en ny studie som just publicerats av ett forskarlag som inkluderar Arizona State University astrofysiker Michael Line, en biträdande professor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration, föreslår en förklaring - att dessa gasrika planeter har sammansättningar som i grunden är normala, går efter vad som är känt om planetbildning. Vad som är annorlunda med dem är att atmosfärerna på deras dagar ser mer ut som atmosfären hos en stjärna än en planet.
"Att tolka spektra för de hetaste av dessa Jupiterliknande planeter har ställt till ett taggigt pussel för forskare i flera år, sa Line.
Det största pusslet är varför vattenånga verkar saknas i dessa världars atmosfärer, när det är rikligt på liknande men lite svalare planeter.
Enligt den nya studien, ultraheta Jupiters har faktiskt ingredienserna för vatten (väte- och syreatomer). Men på grund av den starka strålningen på planetens dagar, temperaturerna där blir tillräckligt höga för att vattenmolekyler slits isär helt.
Med ultraheta Jupiters som kretsar extremt nära sina stjärnor, ena sidan av planeten är ständigt vänd mot stjärnan, medan nattsidan grips av ändlöst mörker.
Dagtemperaturerna når mellan 3, 600 till 5, 400 grader Fahrenheit (2, 000 till 3, 000 grader Celsius), rankar ultraheta Jupiters bland de hetaste exoplaneterna som är kända. Och natttemperaturerna ligger runt 1, 800 grader Fahrenheit kylare.
Stjärn-planet hybrider
Bland den växande katalogen av planeter utanför vårt solsystem - kända som exoplaneter - har ultrahot Jupiters stått ut som en distinkt klass i ungefär ett decennium.
"De här världarnas dagsidor är ugnar som mer ser ut som en stjärnatmosfär än en planetarisk atmosfär, sa Vivien Parmentier, en astrofysiker vid Aix Marseille University i Frankrike och huvudförfattare till den nya studien publicerad i Astronomi och astrofysik . "På det här sättet, ultraheta Jupiters sträcker ut hur vi tror att planeter ska se ut."
Medan teleskop som Spitzer och Hubble kan samla in lite information om dagssidorna av ultraheta Jupiters, deras nattsidor är svåra för nuvarande instrument att undersöka.
Jupiterliknande exoplaneter består till 99 procent av molekylärt väte och helium med mindre mängder vatten och andra molekyler. Men vad deras spektra visar beror starkt på temperaturen. Varma till heta planeter bildar moln av mineraler, medan hetare planeter gör stjärnljusabsorberande molekyler av titanoxid. Men för att förstå ultraheta Jupiter-spektra, forskargruppen var tvungen att vända sig till processer som är vanligare i stjärnor. Kredit:Michael Line/ASU
Den nya tidningen föreslår en modell för vad som kan hända på både de upplysta och mörka sidorna av dessa planeter. Modellen bygger till stor del på observationer och analyser från tre nyligen publicerade studier, medförfattare av Parmentier, Linje, och andra, som fokuserar på tre ultraheta Jupiters, WASP-103b, WASP-18b, och HAT-P-7b.
Den nya studien tyder på att hårda vindar som drivs av uppvärmning kan blåsa de sönderrivna vattenmolekylerna in i planeternas kallare natthalvklot. Där kan atomerna rekombineras till molekyler och kondensera till moln, allt innan det drev tillbaka in i dagsidan för att slitas isär igen.
Familjelikhet?
Hot Jupiters var den första allmänt upptäckta typen av exoplanet, med början i mitten av 1990-talet. Dessa är coolare kusiner till ultraheta Jupiters, med dagtemperaturer under 3, 600 grader Fahrenheit (2, 000 Celsius).
Vatten har visat sig vara vanligt i deras atmosfärer, och alltså när ultraheta Jupiters började hittas, astronomer förväntade sig att de också skulle visa vatten i sina atmosfärer. Men vatten visade sig saknas på deras lätt observerade dagsidor, vilket fick teoretiker att titta på alternativ, till och med exotiska, kompositioner.
En hypotes för varför vatten verkade frånvarande i ultraheta Jupiters har varit att dessa planeter måste ha bildats med mycket höga halter av kol istället för syre. Ändå kunde denna idé inte förklara spåren av vatten som ibland upptäcks vid gränsen mellan dag och natt.
För att bryta stocken, forskarteamet tog en ledtråd från väletablerade fysiska modeller av stjärnatmosfärer, såväl som "misslyckade stjärnor, "känd som bruna dvärgar, vars egenskaper överlappar något med heta och ultraheta Jupiters.
"Missnöjd med extrema kompositioner, vi tänkte mer på problemet, "Sade Line. "Då insåg vi att många tidigare tolkningar saknade någon nyckelfysik och kemi som händer vid dessa ultraheta temperaturer."
Teamet anpassade en brun dvärgmodell utvecklad av Mark Marley, en av artikelns medförfattare och en forskare vid NASAs Ames Research Center i Silicon Valley, Kalifornien, till fallet med ultraheta Jupiters. Att behandla atmosfären hos ultraheta Jupiters mer som flammande stjärnor än konventionellt kallare planeter erbjöd ett sätt att förstå Spitzer- och Hubble-observationerna.
"Med dessa studier, vi tar med oss en del av den hundraåriga kunskapen som erhållits genom att studera stjärnornas astrofysik, till det nya området för att undersöka exoplanetära atmosfärer, sa Parmentier.
"Vår roll i denna forskning har varit att ta de observerade spektra av dessa planeter och modellera deras fysik noggrant, ", sade Line. "Detta visade oss hur man producerar de observerade spektra med hjälp av gaser som är mer benägna att vara närvarande under extrema förhållanden. Dessa planeter behöver inte exotiska kompositioner eller ovanliga vägar för att göra dem."
