Mappe web meteorologiche sull'esopianeta WASP-43b

Il concept di questo artista mostra come potrebbe apparire l'esopianeta gigante di gas caldo WASP-43 b. WASP-43 b è un pianeta delle dimensioni di Giove che orbita attorno a una stella distante circa 280 anni luce, nella costellazione della Sesta. Il pianeta orbita ad una distanza di circa 1,3 milioni di miglia (0,014 unità astronomiche, o UA), completando un'orbita in circa 19,5 ore. Poiché è così vicino alla sua stella, WASP-43 b è probabilmente bloccato in base alle maree: la sua velocità di rotazione e il periodo orbitale sono gli stessi, con un lato sempre rivolto verso la stella. Credito immagine: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI)

WASP-43 b è nuvoloso di notte e sereno durante il giorno, con venti tropicali che vorticano intorno al pianeta a 5.000 miglia all'ora.

A volte NO Trovare qualcosa è altrettanto emozionante e gratificante quanto trovarlo. Prendi caldo Giove WASP-43B, per esempio. Questo mondo bloccato dalle maree ha un lato diurno perennemente molto caldo e un lato notturno un po’ più fresco. Gli astronomi che utilizzano Webb per mappare la temperatura e analizzare l'atmosfera attorno al pianeta si aspettano di rilevare il metano, una comune molecola di carbonio, sul lato notturno. Ma evidentemente non vi è alcuna indicazione in merito. Perché? Il risultato suggerisce che venti supersonici di gas caldo soffiano dal lato diurno, ribaltando completamente l’atmosfera e impedendo reazioni chimiche che produrrebbero metano sul lato notturno.

Questa curva di luce mostra il cambiamento di luminosità del sistema WASP-43 nel tempo mentre il pianeta orbita attorno alla stella. Questo tipo di curva di luce è nota come curva di fase perché comprende l'intera orbita o tutte le fasi del pianeta.
Poiché è bloccato in base alla marea, i diversi lati di WASP-43 b ruotano mentre ruota. Il sistema appare più luminoso quando il lato caldo diurno è rivolto al telescopio, appena prima e dopo un'eclissi secondaria quando il pianeta passa dietro la stella. Il sistema diventa più debole man mano che il pianeta continua la sua orbita e il suo lato notturno orbita attorno all'orizzonte. Dopo il transito, quando il pianeta passa davanti alla stella, bloccando parte della luce stellare, il sistema si illumina nuovamente mentre il lato diurno ritorna visibile.
Crediti immagine: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Università di Leicester)

Il telescopio spaziale Webb mappa il tempo su un pianeta distante 280 anni luce

È stato utilizzato con successo da un team internazionale di ricercatori NASA'S Telescopio spaziale James Webb Per mappare il tempo sull'esopianeta gigante di gas caldo WASP-43 b.

Misurazioni precise e su larga scala della luminosità della luce nel medio infrarosso, combinate con modelli climatici 3D e precedenti osservazioni di altri telescopi, indicano nubi spesse e alte che coprono il lato notturno, cieli sereni sul lato diurno e venti tropicali più di 5.000 miglia di altezza. miscelazione oraria dei gas atmosferici in tutto il pianeta.

L'indagine è solo l'ultima prova Pianeta extrasolare La scienza è ora possibile grazie alla straordinaria capacità di Webb di misurare i cambiamenti di temperatura e rilevare i gas atmosferici a trilioni di chilometri di distanza.

“Hot Jupiter” è bloccato

WASP-43 b è un tipo di esopianeta “Giovia caldo”: di dimensioni simili a Giove, composto principalmente da idrogeno ed elio e molto più caldo di qualsiasi pianeta gigante del nostro sistema solare. Sebbene la sua stella sia più piccola e più fredda del Sole, WASP-43 b orbita a una distanza di soli 1,3 milioni di miglia, meno di 1/25 della distanza tra Mercurio e il Sole.

Con un'orbita così stretta, il pianeta è bloccato in base alle maree, con un lato costantemente illuminato e l'altro nell'oscurità perpetua. Sebbene il lato notturno non riceva mai alcuna radiazione diretta dalla stella, i forti venti orientali trasportano il calore dal lato diurno.

Dalla sua scoperta nel 2011, WASP-43 b è stato osservato utilizzando diversi telescopi, tra cui il telescopio Hubble della NASA e i telescopi spaziali Spitzer, ora in pensione.

“Con Hubble, possiamo vedere chiaramente che c'è vapore acqueo sul lato diurno. Sia Hubble che Spitzer hanno dimostrato che potrebbero esserci nuvole sul lato notturno”, ha spiegato Taylor Bell, ricercatore del Bay Area Environmental Research Institute e autore principale dello studio. uno studio pubblicato il 30 aprile in Astronomia della natura. “Ma avevamo bisogno di misurazioni più precise da parte di Webb per iniziare effettivamente a mappare in modo più dettagliato la temperatura, la copertura nuvolosa, i venti e la composizione atmosferica in tutto il pianeta”.

Questo diagramma semplificato della curva di fase dell'esopianeta mostra il cambiamento nella luminosità complessiva del sistema stella-pianeta mentre il pianeta orbita attorno alla stella. Il sistema appare più luminoso quando la parte illuminata del pianeta è rivolta verso il telescopio (fase completa). Appare fioco quando la maggior parte del lato oscuro è rivolto verso il telescopio (nuova fase), quando il pianeta blocca parte della luce stellare (transito) e quando la stella blocca la luce del pianeta (eclissi secondaria).
(In alto) Un diagramma che mostra il cambiamento nella fase del pianeta (la quantità di lato illuminato rivolto al telescopio) mentre orbita attorno alla sua stella.
(In basso) Un grafico 3-D che mostra il cambiamento nella luminosità complessiva del sistema stellare e del pianeta mentre il pianeta orbita attorno alla sua stella. In questo grafico, noto come curva di luce, il piano orizzontale è la posizione orbitale e l'asse verticale è la luminosità.
(Destra) Barra della scala. Sia nel diagramma orbitale che nella curva di luce, il colore indica la luminosità osservata della stella + pianeta: dal viola scuro (viene rilevata meno luce) al bianco (viene rilevata più luce).
I ricercatori utilizzano le curve di fase per studiare i cambiamenti nella riflettanza e nella temperatura del pianeta con la longitudine (da un lato all'altro), che possono fornire informazioni sulla composizione della superficie e sulle condizioni atmosferiche del pianeta.
Credito immagine: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Andy James (STScI), Greg Bacon (STScI)

Mappatura della temperatura e inferenza meteorologica

Sebbene WASP-43 b sia troppo piccolo, fioco e vicino alla sua stella per essere visto direttamente da un telescopio, il suo breve periodo orbitale di sole 19,5 ore lo rende ideale per la spettroscopia con curva di fase, una tecnica che prevede la misurazione di piccoli cambiamenti nella luminosità di una stella. Sistema stellare e planetario Poiché il pianeta orbita attorno alla stella.

Poiché la quantità di luce nel medio infrarosso emessa da un oggetto dipende in gran parte da quanto è caldo, i dati sulla luminosità catturati da Webb possono quindi essere utilizzati per calcolare la temperatura del pianeta.

Il team ha utilizzato lo strumento MIRI (strumento a medio infrarosso) di Webb per misurare la luce proveniente dal sistema WASP-43 ogni 10 secondi per più di 24 ore. “Osservando un'intera orbita, siamo stati in grado di calcolare la temperatura dei diversi lati del pianeta mentre orbitavano attorno all'orizzonte”, ha spiegato Bell. “Da ciò, possiamo costruire una mappa approssimativa della temperatura in tutto il pianeta”.

Le misurazioni mostrano che la temperatura media sul lato diurno è di circa 2.300 gradi F (1.250 gradi Centigrado) – abbastanza caldo da formare ferro. Nel frattempo, il lato notturno è notevolmente più fresco a 600°C (1.100°F). I dati aiutano anche a determinare la posizione del punto più caldo del pianeta (il “punto caldo”), che è leggermente spostato verso est dal punto che riceve la maggior quantità di radiazione stellare, dove la stella è più alta nel cielo del pianeta. Questo spostamento è causato dai venti supersonici, che spostano l’aria calda verso est.

“Il fatto che possiamo mappare la temperatura in questo modo è una vera testimonianza della sensibilità e della stabilità di Webb”, ha affermato il coautore Michael Roman dell'Università di Leicester nel Regno Unito.

Per interpretare la mappa, il team ha utilizzato complessi modelli atmosferici 3D come quelli utilizzati per comprendere il tempo e il clima sulla Terra. L'analisi mostra che il lato notturno può essere coperto da uno spesso ed alto strato di nuvole che impedisce a parte della luce infrarossa di fuoriuscire nello spazio. Di conseguenza, il lato notturno, anche se molto caldo, appare più scuro e più fresco di quanto sarebbe se non ci fossero nuvole.

Questa serie di mappe mostra la temperatura del lato visibile dell'esopianeta gigante di gas caldo WASP-43 b, mentre il pianeta orbita attorno alla sua stella. Le temperature sono state calcolate sulla base di oltre 8.000 misurazioni della luminosità della luce nel medio infrarosso da 5 a 12 micron rilevate dal sistema stellare e dal pianeta dal MIRI (Mid-Infrared Instrument) sul telescopio spaziale James Webb della NASA. In generale, più un oggetto è caldo, maggiore è la luce nel medio infrarosso che emette. Crediti immagine: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Università di Leicester)

Perdita di metano e forti venti

L’ampio spettro della luce nel medio infrarosso catturato da Webb ha inoltre permesso di misurare la quantità di vapore acqueo (H₂O) e metano (CH₄) in tutto il pianeta. “Webb ci ha dato l'opportunità di sapere esattamente quali molecole vediamo e di porre alcuni limiti alla loro abbondanza”, ha affermato la coautrice Joanna Barstow della Open University nel Regno Unito.

Gli spettri mostrano chiari segni di vapore acqueo sia sul lato notturno che su quello diurno del pianeta, fornendo ulteriori informazioni su quanto sono dense le nuvole e quanto in alto si innalzano nell’atmosfera.

Sorprendentemente, anche i dati mostrano una chiara differenza perdita Metano ovunque nell'atmosfera. Sebbene il lato diurno sia troppo caldo perché possa esistere metano (la maggior parte del carbonio deve essere sotto forma di monossido di carbonio), il metano dovrebbe essere stabile e rilevabile sul lato notturno, più fresco.

“Il fatto che non vediamo metano ci dice che WASP-43 b deve avere una velocità del vento di quasi 5.000 miglia all'ora”, ha spiegato Barstow. “Se i venti spostassero il gas dal lato diurno a quello notturno e poi di nuovo indietro abbastanza velocemente, non ci sarebbe abbastanza tempo perché le reazioni chimiche previste producano quantità rilevabili di metano sul lato notturno”.

Il team ritiene che a causa di questa miscelazione guidata dal vento, la chimica dell’atmosfera sia la stessa in tutto il pianeta, cosa che non era chiara dal lavoro precedente con Hubble e Spitzer.

Riferimento: “Nuvole notturne e chimica del non equilibrio sul caldo Giove WASP-43b” di Taylor J. Bell, Nicolas Crozet e Patricio E. Kobelo, Laura Kreidberg e Anjali A.A. Peet e Michael T. Romano e Joanna K. Barstow, Jasmina Plisic, Ludmila Carone, Louis-Philippe Collomb, Elsa Ducrot, Mark Hammond, João M. Mendonça, Julien I. Moses, Vivien Parmentier, Kevin B. Stevenson, Lucas Tintorier, Michael Chang, Natalie M. Batalha, Jacob L. Bean, Björn Beneke, Benjamin Charney, Katie L. Chubb, Bryce-Olivier Demaury, Peter Gao, Elspeth K. H. Lee, Mercedes Lopez-Morales, Giuseppe Morello, Emily Rauscher, David K. . Singh, Xianyu Tan, Olivia Vinot, Hannah R. Wakeford, Keshav Agarwal, Eva Maria Ahrer, Munaza K. Allam, Ruben Bayens, David Parrado, Claudio Cáceres, Arin L. Carter, Sarah L. CaswellRyan C. Challner, Ian JM Crosfield, Lyn Desain, Jean-Michel Desert, Ian Dobbs-Dixon, Akren Derrick, Nestor Espinosa, Adina D. Feinstein, Neil B. Gibson, Joseph Harrington, Christian Helling, Renew Hu, Nicholas Iero, Eliza M.-R. Compton, Sarah Kendrew, Thaddeus D. Komacek, Jessica Crick, Pierre-Olivier Lagage, Jeremy Leconte, Monica Lindell, Neil T. Lewis, Joshua D. Lothringer, Isaac Malski, Luigi Mancini, Megan Mansfield, Nathan J. Mayne, Thomas M. Evans Soma, Karan Molaverdkhani, Nikolai K. NikolovMatthew C. Nixon, Enrique Paley, Dominique J.M. Petit de la Roche, Carolyn Piollet, Diana Powell, Benjamin V. RackhamAaron D. SchneiderMaria E. Steinrock. Jake Taylor, Louis Wilbanks, Sergey N. Yurchenko, Xi Zhang e Sebastian Ziba, 30 aprile 2024, Astronomia della natura.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

L’osservazione MIRI di WASP-43 b è stata condotta come parte dei programmi Webb Early Release Science, che forniscono ai ricercatori un’ampia gamma di dati affidabili e ad accesso aperto per studiare un’ampia gamma di fenomeni cosmici.

Il James Webb Space Telescope è il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo. Webb risolve i misteri del nostro sistema solare, guarda oltre i mondi lontani attorno ad altre stelle ed esplora le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. WEB è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner l'Agenzia spaziale europea (ESA).Agenzia spaziale europea) e l'Agenzia spaziale canadese.