Med hjälp av James Webb Space Telescope (JWST) konstruerade ett team av astronomer, inklusive forskare från MPIA, en global temperaturkarta över den heta, gasjätte exoplaneten WASP-43b. Den närliggande förälderstjärnan lyser ständigt upp ena halvklotet och höjer temperaturen till blixtrande 1250°C. Under tiden döljer den eviga natten den motsatta sidan.
Våldsamma vindar transporterar den brännande heta luften till nattsidan, där den svalnar till 600°C, vilket gör att moln kan bildas och täcka hela halvklotet. Dessa stormar försämrar kemiska reaktioner så mycket att metan knappt kan bildas, även om det borde finnas rikligt under lugnare förhållanden.
Heta Jupiters är extrema gasjätte exoplaneter som kretsar runt sina värdstjärnor i omedelbar närhet, vilket leder till flera exotiska egenskaper när det gäller temperatur, densitet, sammansättning, kemi och väder. Med tillkomsten av banbrytande känsliga teleskop, som James Webb Space Telescope (JWST), har astronomer börjat studera deras atmosfärer i detalj.
Ett internationellt samarbete mellan astronomer, JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS)-teamet, observerade den heta Jupiter WASP-43b med JWST:s Mid-Infrared Instrument (MIRI) för att studera dess klimat.
Resultaten av den undersökningen ledd av Taylor J. Bell (BAER Institute and Space Science and Astrobiology Division, NASA Ames Research Center, USA) publiceras i Nature Astronomy .
Det centrala resultatet är en karta som visar den globala temperaturfördelningen härledd från det infraröda ljuset WASP-43b sänder ut som svar på bestrålningen från dess värdstjärna. Genom att täcka ett spektralområde som är känsligt för varma material fungerar MIRI liknande en beröringsfri termometer som används för att mäta kroppstemperaturer, men över stora avstånd, som uppgår till 280 ljusår för WASP-43b.
I denna karta är de uppmätta temperaturerna mellan 600°C och 1250°C. Däremot, med hjälp av jämförbara observationer, uppnår Jupiter, gasjätten i solsystemet, frostiga -135°C.
Även om den liknar Jupiter i storlek och massa, är den en helt annan värld. WASP-43b upprätthåller en exceptionellt snäv bana runt sin värdstjärna, WASP-43, och färdas bara två stjärndiametrar över stjärnans yta samtidigt som den fullbordar sin bana på bara 19,5 timmar. Den lilla separationen resulterade i att planetens dag och år blev synkroniserade. Att rotera runt stjärnan tar med andra ord samma tid som planeten behöver för att rotera runt sin axel. Följaktligen lyser och värmer stjärnan alltid samma sida av planeten.
Vindar för luften till det motsatta halvklotet, där den svalnar i evig natt. Men på WASP-43b är dessa vindar extremt våldsamma, med vindhastigheter som når nästan 9 000 km/h, vilket är bortom allt vi ser i solsystemet. I jämförelse är även Jupiters starkaste vindar bara en mild bris.
"Med Hubble kunde vi tydligt se att det finns vattenånga på dagen. Både Hubble och Spitzer föreslog att det kan finnas moln på nattsidan", förklarade Bell. "Men vi behövde mer exakta mätningar från JWST för att verkligen börja kartlägga temperaturen, molntäcket, vindarna och mer detaljerad atmosfärisk sammansättning hela vägen runt planeten."
JWST-observationerna fann att temperaturkontrasten mellan dag- och nattsidan var starkare än man skulle förvänta sig för en molnfri atmosfär. Modellberäkningar bekräftar att planetens nattsida är höljd i ett tjockt lager av moln högt upp i atmosfären, vilket blockerar mycket av den infraröda strålning underifrån vi annars skulle se.
De exakta typerna av moln är fortfarande okända. Det är klart att de inte kommer att vara vattenmoln som de på jorden, än mindre ammoniakmolnen vi ser på Jupiter, eftersom planeten är alldeles för varm för att vatten och ammoniak ska kunna kondensera. Istället är det mer sannolikt att moln gjorda av stenar och mineraler finns närvarande vid dessa temperaturer. Därför bör vi förvänta oss moln gjorda av flytande stendroppar. Å andra sidan verkar den varmare dagsidan av WASP-43b vara molnfri.
För att undersöka den atmosfäriska sammansättningen mer i detalj producerade teamet spektra, det vill säga de sönderdelade det mottagna infraröda ljuset i små våglängdssektioner, liknande en regnbåge som avslöjar solljusets färgkomponenter. Denna metod gjorde det möjligt för dem att identifiera signaturerna för individuella kemiska föreningar som strålar vid specifika våglängder.
Som ett resultat bekräftade astronomerna tidigare mätningar av vattenånga, men nu över hela planeten. Hubble kunde bara studera dagsidan, eftersom nattsidan var för mörk för att känna igen molekyler där. JWST, med sin högre känslighet, fullbordar nu bilden.
Dessutom är heta Jupiters typiskt värd för stora mängder molekylärt väte och kolmonoxid, som båda inte kunde undersökas med lagets observationer. Men när de utsätts för den kallare nattsidan, deltar väte och kolmonoxid i en uppsättning reaktioner som skulle producera metan och vatten. MIRI hittade dock inget metan.
Astronomerna förklarar denna överraskning med de enorma vindhastigheterna på WASP-43b. Reaktionspartnerna passerar den svalare nattsidan så snabbt att det är kort tid kvar för de förväntade kemiska reaktionerna att producera detekterbara mängder metan. Vilken liten fraktion av metan som helst blir ordentligt blandad med de andra gaserna. Den når snabbt till dagssidan igen, där den utsätts för den destruktiva värmen.
"Med den nya observationskraften hos JWST har WASP-43b avslöjats i oöverträffad detalj", säger Laura Kreidberg, direktör vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, Tyskland. Hon är medförfattare till den underliggande forskningsartikeln och har utforskat planeten i ett decennium.
"Vi ser en komplex, ogästvänlig värld, med rasande vindar, massiva temperaturförändringar och fläckiga moln sannolikt gjorda av stendroppar. WASP-43b är en påminnelse om det stora utbudet av klimat som är möjliga på exoplaneter och de många sätt på vilka jorden är speciellt."
Observera en planetkarusell
WASP-43b upptäcktes 2011 via transitmetoden. Närhelst en exoplanets bana är orienterad så att den ur vårt perspektiv passerar framför sin värdstjärna, blockerar ockultationen en liten del av stjärnljuset. Dessa periodiska fall i stjärnans ljusstyrka är ett kontrolltecken på ett föremål som kretsar runt stjärnan. Den exakta formen gör det möjligt att beräkna planetens storlek och orbital lutning.
Astronomer utnyttjar en sekundär effekt för att studera planeten i detalj. Tänk på att Venus ändrar sin belysning, som liknar månens faser, under sin bana runt solen. Transiterande exoplaneter presenterar olika faser av infraröd emission på ungefär samma sätt, beroende på hur stjärnan värmer upp dagen.
Att observera den gradvisa förändringen av proportioner vi ser av de varma och kalla halvkloten resulterar i ett karakteristiskt mönster av hur planetens uppmätta infraröda ljusstyrka varierar över tiden. Genom att analysera denna minutsignal, den så kallade faskurvan, fick astronomerna från WASP-43b det möjligt för dem att konstruera temperaturkartan och lokalisera de gaser som utgör planetens atmosfär.
En uppföljningsstudie av ett annat team ledd av före detta MPIA-forskaren Stephan Birkmann (European Space Agency, ESA) kommer att titta på WASP-43b med JWST:s Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec). Dessa mätningar kommer att vara känsliga för kolmonoxidgas som borde vara utbredd i atmosfären.
Dessutom kommer den utökade våglängdtäckningen att förbättra troheten hos MIRI-temperaturkartan och hjälpa till att undersöka molnfördelningen och sammansättningen mer exakt.
Mer information: Taylor J. Bell et al, Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02230-x
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av Max Planck Society
