Un viaggio sul web per comprendere la strana atmosfera di un mondo lontano

La spettroscopia nel vicino infrarosso della stella finita conferma le differenze nell’atmosfera mattutina e serale.

Fin dal primo Pianeta extrasolare Migliaia di pianeti in orbita attorno a stelle al di fuori del nostro sistema solare sono stati scoperti nel 1992 e la loro esistenza è stata confermata da una miriade di metodi diversi, tra cui l’imaging diretto, il microlente gravitazionale, la misurazione dei transiti e le misurazioni astronomiche. Nel corso degli anni, le tecniche si sono evolute per studiare questi esopianeti, man mano che gli astronomi apprendono dettagli sulla composizione atmosferica di questi mondi lontani.

NASA‘S Telescopio spaziale James Webb Continua a sviluppare questo campo di studio e ad approfondire la nostra comprensione della diversità degli esopianeti e delle loro atmosfere.

Quali sono le ultime novità? Webb ha permesso agli astronomi di analizzare le differenze atmosferiche tra mattina e sera su un esopianeta bloccato dalle maree: un’impresa incredibile per un mondo distante 700 anni luce dalla Terra come WASP-39 b.

Questa concept art mostra come potrebbe apparire l’esopianeta WASP-39 b sulla base delle osservazioni del transito indiretto del James Webb Space Telescope della NASA e di altri telescopi spaziali e terrestri. Copyright: NASA, ESA, Agenzia spaziale canadese, Ralph Crawford (Space Science Institute)

Il telescopio spaziale Webb osserva l’alba e il tramonto eterni su mondi lontani

I ricercatori che utilizzano il telescopio spaziale James Webb della NASA hanno finalmente confermato ciò che i modelli avevano previsto in precedenza: l’esopianeta presenta differenze tra la sua eterna atmosfera mattutina e la sua eterna atmosfera serale. WASP-39 b, un pianeta gigante con un diametro 1,3 volte più grande del nostro pianeta. Giovema il blocco è simile a Saturno Il pianeta orbita attorno a una stella a circa 700 anni luce dalla Terra ed è legato in modo mareale alla sua stella madre. Ciò significa che ha un lato diurno fisso e un lato notturno fisso: un lato del pianeta è sempre esposto alla sua stella, mentre l’altro lato è sempre avvolto nell’oscurità.

Utilizzando lo spettrometro nel vicino infrarosso dell’Osservatorio Webb, gli astronomi hanno confermato l’esistenza di una differenza di temperatura tra l’eterna mattina e l’eterna sera su WASP-39 b, con la sera che appare circa 300 gradi Celsius più calda. F gradi (circa 200 Centigrado Hanno anche trovato prove di una diversa copertura nuvolosa, con la parte mattutina permanente del pianeta che ha maggiori probabilità di essere più nuvolosa rispetto a quella serale.

Questa animazione descrive come Webb utilizza la spettroscopia di trasmissione per studiare le atmosfere di esopianeti distanti. Credito immagine: NASA, ESA, Agenzia spaziale canadese, Leah Hostak

Progressi negli studi sulle atmosfere esoplanetarie

Gli astronomi hanno analizzato uno spettro di transizione da 2 a 5 micron di WASP-39 b, una tecnica che studia il terminale dell’esopianeta, il confine tra il lato diurno e quello notturno di un pianeta. Uno spettro di transizione viene creato confrontando la luce stellare filtrata attraverso l’atmosfera del pianeta mentre si muove davanti alla stella, con la luce stellare non filtrata rilevata quando il pianeta è vicino alla stella. Facendo questo confronto, i ricercatori possono ottenere informazioni sulla temperatura, sulla composizione e su altre proprietà dell’atmosfera del pianeta.

“WASP-39 b è diventato un pianeta di riferimento nello studio delle atmosfere degli esopianeti utilizzando il telescopio Webb”, ha affermato Nestor Espinosa, ricercatore di esopianeti presso il Max Planck Institute for Space Science. Istituto di scienze del telescopio spaziale “Il pianeta ha un’atmosfera gonfia, quindi il segnale della luce stellare che attraversa l’atmosfera del pianeta è molto forte”, afferma l’autore principale dello studio.

La curva di luce del telescopio spaziale James Webb della NASA mostra la luminosità del sistema stellare WASP-39 che cambia nel tempo mentre il pianeta transita davanti alla stella. Questa osservazione è stata effettuata utilizzando la modalità serie temporali di oggetti luminosi di NIRSpec, che utilizza un reticolo per diffondere la luce da un singolo oggetto luminoso (come la stella ospite di WASP-39 b) e misurare la luminosità di ciascuna lunghezza d’onda della luce a intervalli di tempo specifici. Copyright: NASA, ESA, Agenzia spaziale canadese, Ralph Crawford (Space Science Institute)

Approfondimenti sulla temperatura e sulla composizione atmosferica

Gli spettri Webb dell’atmosfera di WASP-39b precedentemente pubblicati, che hanno rivelato la presenza di anidride carbonica, anidride solforosa, vapore acqueo e sodio, rappresentano l’intero confine giorno/notte – e non c’è stato alcun tentativo dettagliato di distinguere un lato dall’altro.

Ora, la nuova analisi costruisce due diversi spettri della zona terminale, dividendo il confine giorno-notte in due semicerchi, uno della sera e uno del mattino. I dati rivelano che la sera era notevolmente più calda, con una temperatura di 800°C (1.450°F), e la mattina era relativamente più fresca, con una temperatura di 600°C (1.150°F).

Questo spettro penetrante, ripreso utilizzando la modalità serie temporali di oggetti luminosi dello strumento Near-Infrared Spectrograph (PRISM) dell’Osservatorio Webb, mostra la quantità di luce stellare nel vicino infrarosso bloccata dall’atmosfera del gigantesco esopianeta gas caldo WASP-39 b. Lo spettro mostra chiare tracce di acqua e anidride carbonica e una differenza di temperatura tra la mattina e la sera sull’esopianeta.
Un nuovo studio dello spettro di trasmissione della luce di WASP-39 b ha dimostrato che esistono due diversi spettri di confini fissi giorno-notte sull’esopianeta, che dividono questa zona terminale in due semicerchi, uno dalla sera e uno dal mattino. I dati rivelano che la sera era notevolmente più calda, con una temperatura di 800°C (1.450°F), e la mattina era relativamente più fresca, con una temperatura di 600°C (1.150°F).
Le linee blu e gialle rappresentano il modello migliore che tiene conto dei dati e delle proprietà note di WASP-39 b e della sua stella (ad esempio dimensione, massa, temperatura) e delle proprietà presunte dell’atmosfera.
Copyright: NASA, ESA, Agenzia spaziale canadese, Ralph Crawford (Space Telescope Science Institute)

Effetti dei cambiamenti di temperatura

“È davvero sorprendente poter analizzare una differenza così piccola, e questo è possibile solo grazie alla sensibilità di Webb attraverso le lunghezze d’onda del vicino infrarosso e ai sensori ottici altamente stabili”, ha affermato Espinosa. “Qualsiasi piccolo movimento nel dispositivo o nell’osservatorio durante la raccolta dei dati avrebbe fortemente limitato la nostra capacità di fare questa scoperta. Dovrebbe essere straordinariamente precisa, ed è esattamente ciò che Webb è.”

La modellizzazione completa dei dati ottenuti consente inoltre ai ricercatori di studiare la struttura dell’atmosfera di WASP-39 b, la sua copertura nuvolosa e il motivo per cui le serate sono più calde. Mentre il lavoro futuro del team esaminerà come la copertura nuvolosa può influenzare la temperatura, e viceversa, gli astronomi hanno confermato che la rotazione del gas attorno al pianeta è la ragione principale dietro le differenze di temperatura su WASP-39 b.

Comprensione dei modelli dei venti planetari e delle dinamiche della temperatura

Su un esopianeta altamente radiante come WASP-39 b che orbita relativamente vicino alla sua stella, i ricercatori generalmente si aspettano che il gas si muova mentre il pianeta orbita attorno alla sua stella: il gas più caldo dovrebbe spostarsi dal lato diurno durante la sera a quello notturno attraverso una forte direzione equatoriale. corrente a getto. Poiché la differenza di temperatura è così estrema, anche la differenza di pressione atmosferica sarà grande, il che a sua volta porterà a velocità del vento elevate.

Utilizzando modelli di circolazione generale, modelli tridimensionali simili a quelli utilizzati per prevedere i modelli meteorologici sulla Terra, i ricercatori hanno scoperto che i venti dominanti su WASP-39 b probabilmente si spostano dal lato notturno attraverso la linea del traguardo del mattino, attorno al lato diurno, attraverso il traguardo serale, e poi il lato notturno. Di conseguenza, il lato mattutino del traguardo è più fresco rispetto al lato serale. In altre parole, il lato mattutino è colpito da venti di aria fresca sul lato notturno, mentre il lato serale è colpito da venti di aria calda sul lato diurno. La ricerca indica che la velocità del vento sul pianeta WASP-39 b può raggiungere migliaia di miglia all’ora!

Direzioni future della ricerca e primi contributi scientifici di Webb

“Questa analisi è particolarmente interessante anche perché ottieni informazioni 3D sul pianeta che non avevi prima”, ha aggiunto Espinosa. “Dato che possiamo dire che il bordo serale è più caldo, significa che è un po’ più rigonfio. Quindi, in teoria, c’è un piccolo rigonfiamento sul bordo terminale che si avvicina al lato notturno del pianeta.”

I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista natura.

I ricercatori cercheranno ora di utilizzare lo stesso metodo di analisi per studiare le variazioni atmosferiche di altri Giove caldi con limitazioni di marea, come parte del Programma WEP 3969 General Observers.

WASP-39 b è stato tra i primi obiettivi analizzati da Webb quando ha iniziato le regolari operazioni scientifiche nel 2022. I dati di questo studio sono stati raccolti nell’ambito del programma Early Science Release 1366, progettato per aiutare gli scienziati a imparare rapidamente come utilizzare gli strumenti del telescopio e realizzare il suo potenziale scientifico.

Riferimento: “Terminazioni eterogenee sull’esopianeta WASP-39 b” di Néstor Espinosa e Maria E. Steinrock, James Kirk e Ryan J. McDonald e Arjun B. Saville, Kenneth Arnold e Eliza M.-R. Kempton, Matthew M. Murphy, Ludmila Carone, Maria Zamyatina, David A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christiane Helling, Zafar Rustamkulov, Vivien Parmentier, Erin M. May, Aarynn L. Carter, Xi Zhang, Mercedes López-Morales, Natalie Allen, Jasmina Blecic, Leen Decin, Luigi Mancini, Karan Molaverdikhani, Benjamin V. Rackham, Enric Palle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean, Ian J.M. Crossfield, David Haegele, Eric Hébrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm e Nicolas Crouzet, 15 luglio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07768-4

Il James Webb Space Telescope (JWST) è un grande osservatorio spaziale lanciato il 25 dicembre 2021. Si tratta di un progetto di collaborazione che coinvolge la NASA, l’Università di Harvard e l’Università di Harvard. Agenzia spaziale europea (ESA) e l’Agenzia spaziale canadese (CSA). Come successore scientifico del programma Telescopio spaziale HubbleIl telescopio James Webb è progettato per fornire risoluzione e sensibilità senza precedenti nella gamma degli infrarossi dello spettro elettromagnetico. Questa capacità consente agli astronomi di studiare ogni fase della storia cosmica, dai primi brillamenti in poi la grande esplosioneDalla sua posizione nel secondo punto Lagrange (L2), il telescopio James Webb esplorerà un’ampia gamma di questioni scientifiche, contribuendo a rivelare nuove intuizioni sulla struttura e sulle origini dell’universo.