Onderzoekers die gebruik maken van NASA's James Webb ruimtetelescoop hebben eindelijk bevestigd wat modellen eerder al voorspelden: een exoplaneet heeft verschillen tussen zijn eeuwige ochtend- en eeuwige avondatmosfeer. WASP-39 b, een reuzenplaneet met een diameter die 1,3 keer groter is dan die van Jupiter, maar met een massa die vergelijkbaar is met die van Saturnus, die rond een ster draait die ongeveer 700 lichtjaar van de aarde verwijderd is, is zogeheten 'tidally locked' met zijn moederster. Dit betekent dat hij een constante dag- en nachtkant heeft: één kant van de planeet is altijd blootgesteld aan zijn ster, terwijl de andere kant altijd in duisternis gehuld is.
Met behulp van Webb's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) hebben astronomen bevestigd dat er een temperatuurverschil is tussen de eeuwige ochtend en de eeuwige avond op WASP-39 b. De avond lijkt ongeveer 300 graden Fahrenheit (ongeveer 200 graden Celsius) warmer. Ze vonden ook bewijs voor verschillende bewolking, waarbij het eeuwige ochtendgedeelte van de planeet waarschijnlijk bewolkter is dan de avond. Astronomen analyseerden het 2- tot 5-micron transmissiespectrum van WASP-39 b, een techniek die de terminator van de exoplaneet bestudeert, de grens die de dag- en nachtzijde van de planeet scheidt. Een transmissiespectrum wordt gemaakt door sterlicht dat door de atmosfeer van een planeet wordt gefilterd wanneer deze voor de ster langs beweegt, te vergelijken met het ongefilterde sterlicht dat wordt waargenomen wanneer de planeet naast de ster staat. Door die vergelijking kunnen onderzoekers informatie krijgen over de temperatuur, samenstelling en andere eigenschappen van de atmosfeer van de planeet.
“WASP-39 b is een soort referentieplaneet geworden voor het bestuderen van de atmosfeer van exoplaneten met Webb,” zegt Néstor Espinoza, een exoplaneetonderzoeker aan het Space Telescope Science Institute en hoofdauteur van het onderzoek. “Hij heeft een opgeblazen, gezwollen atmosfeer, dus het signaal van sterlicht dat door de atmosfeer van de planeet wordt gefilterd is vrij sterk.” Eerder gepubliceerde Webb-spectra van de atmosfeer van WASP-39b, die de aanwezigheid van koolstofdioxide, zwaveldioxide, waterdamp en natrium lieten zien, vertegenwoordigen de hele dag/nacht-grens - er was geen gedetailleerde poging om onderscheid te maken tussen de ene en de andere kant. Nu bouwt de nieuwe analyse twee verschillende spectra op van het terminatorgebied, waardoor de dag/nachtgrens in feite wordt opgedeeld in twee halve cirkels, één van de avond en één van de ochtend. Uit de gegevens blijkt dat de avond aanzienlijk heter is, namelijk 800 graden Celsius, en de ochtend relatief koeler, namelijk 600 graden Celsius.
“Het is echt verbluffend dat we dit kleine verschil kunnen onderscheiden, en het is alleen mogelijk dankzij Webb's gevoeligheid voor nabij-infrarode golflengten en zijn extreem stabiele fotometrische sensoren,” zei Espinoza. “Elke kleine beweging in het instrument of met het observatorium tijdens het verzamelen van gegevens zou ons vermogen om deze detectie te doen ernstig hebben beperkt. Het moet buitengewoon nauwkeurig zijn, en Webb is precies dat.” Dankzij uitgebreide modellering van de verkregen gegevens kunnen onderzoekers ook de structuur van de atmosfeer van WASP-39 b, de bewolking en waarom het 's avonds heter is, onderzoeken. Hoewel het team in de toekomst zal bestuderen hoe de bewolking de temperatuur kan beïnvloeden en vice versa, bevestigden de astronomen dat de gascirculatie rond de planeet de belangrijkste boosdoener is van het temperatuurverschil op WASP-39 b. Op een sterk bestraalde exoplaneet zoals WASP-39 b, die relatief dicht bij zijn ster draait, verwachten onderzoekers over het algemeen dat het gas in beweging is als de planeet om zijn ster draait: heter gas van de dagzijde zou zich via een krachtige equatoriale straalstroom door de avond naar de nachtzijde moeten verplaatsen. Omdat het temperatuurverschil zo extreem is, zou het luchtdrukverschil ook aanzienlijk zijn, wat weer hoge windsnelheden zou veroorzaken.
Met behulp van General Circulation Models, driedimensionale modellen die lijken op de modellen die worden gebruikt om weerpatronen op aarde te voorspellen, ontdekten onderzoekers dat op WASP-39 b de heersende winden waarschijnlijk van de nachtzijde over de ochtendterminator bewegen, rond de dagzijde, over de avondterminator en dan rond de nachtzijde. Als gevolg daarvan is de ochtendkant van de terminator koeler dan de avondkant. Met andere woorden, de ochtendkant wordt overspoeld door winden van lucht die aan de nachtkant is afgekoeld, terwijl de avond wordt overspoeld door winden van lucht die aan de dagkant is opgewarmd. Onderzoek suggereert dat de windsnelheden op WASP-39 b kunnen oplopen tot duizenden kilometers per uur! “Deze analyse is ook bijzonder interessant omdat je 3D-informatie over de planeet krijgt die je eerder niet kreeg,” voegt Espinoza toe. “Omdat we kunnen zien dat de avondrand heter is, betekent dat dat hij wat gezwollener is. Theoretisch is er dus een kleine deining aan de terminator die de nachtkant van de planeet nadert.”
De onderzoekers gaan nu dezelfde analysemethode gebruiken om atmosferische verschillen van andere tidally locked hete Jupiters te bestuderen, als onderdeel van Webb Cycle 2 General Observers Program 3969. WASP-39 b was een van de eerste doelen die Webb analyseerde toen het begon met reguliere wetenschappelijke activiteiten in 2022. De gegevens in deze studie zijn verzameld in het kader van het Early Release Science-programma 1366, dat is ontworpen om wetenschappers te helpen snel te leren hoe ze de instrumenten van de telescoop moeten gebruiken en het volledige wetenschappelijke potentieel te benutten.
De James Webb ruimtetelescoop is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries op in ons zonnestelsel, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met zijn partners ESA (European Space Agency) en CSA (Canadian Space Agency).
Bron: NASA
