950 ışıkyılı uzaklıktaki bir ötegezegen olan HAT-P-32b, kendisinden 53 kat daha büyük bir helyum kuyruğuna sahiptir. Bilim adamları, gelişmiş teleskoplar ve süper bilgisayarlar kullanarak ‘sıcak Jüpiterler’deki atmosferik kaybı anlamayı ve uzak dünyaları daha fazla keşfetmeyi amaçlıyor.
Stampede2 süper bilgisayar simülasyonları, uzak gezegenden kaçan helyum gazı bulutlarının yakalanmasına yardımcı oluyor.
Dünya’dan yaklaşık 950 ışıkyılı uzaklıkta bulunan bir gezegen olabilir Looney Tunes’un Yosemite Sam’i atmosferik ‘tepesini’ muhteşem bir şekilde patlatan gezegenlerin eşdeğeri.
HAT-P-32b olarak adlandırılan gezegen, atmosferik helyumunun büyük bir kısmını kaybediyor; gökbilimcilerin gözlemlerine göre, arkadaki gaz kuyrukları, güneş sistemimizin dışındaki bir gezegen olan ötegezegenin şimdiye kadar bilinen en büyük yapıları arasında yer alıyor.
Teksas Gelişmiş Bilgi İşlem Merkezi’nin (TACC) Stampede2 süper bilgisayarındaki üç boyutlu (3 boyutlu) simülasyonlar, Austin’deki McDonald Gözlemevi’ndeki Teksas Üniversitesi’nin Hobby-Eberly Teleskobu’ndan elde edilen verilere dayanarak gezegenin atmosferinin akışının modellenmesine yardımcı oldu. Bilim insanları, atmosferini kaybeden daha fazla gezegen bulmak ve bunların evrimi hakkında bilgi edinmek için gezegen gözlem ağlarını genişletmeyi ve 20 ek yıldız sistemini araştırmayı umuyor.
HAT-P-32b gezegeni atmosferik helyumunun o kadar çoğunu kaybediyor ki, arkadaki gaz kuyrukları, güneş sistemimiz dışındaki herhangi bir gezegenin şimdiye kadar bildiği en büyük yapılar arasında yer alıyor. HAT-P-32 A + b sistemine yaklaşan yörünge düzlemi boyunca simülasyon ‘dilim’. Kredi: Zhang ve diğerleri, Sci. Av. 9, eadf8736 (2023).
Helyum Kuyruğunu Keşfetmek
“Bu gezegeni ve ev sahibi yıldızı uzun süreli seri spektroskopiyle, birkaç gece boyunca yıldız ve gezegene ilişkin gözlemlerle izledik. Ve bulduğumuz şey, gezegenle ilişkili devasa bir helyum gazı kuyruğunun olduğu. Kaliforniya Santa Cruz Üniversitesi Astronomi ve Astrofizik Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Zhoujian Zhang, “Kuyruk büyük (gezegenin yarıçapının yaklaşık 53 katı kadar) gezegenden kaçan gazdan oluşuyor” dedi.
Zhang, HAT-P 32b’den tespit edilen helyum kuyruğu üzerine yapılan çalışmanın baş yazarıdır. Bilim Gelişmeleri Haziran 2023’te. Bilim ekibi, Yaşanabilir Gezegen Bulucu Spektrograf, Hobby-Eberly teleskopundaki, yakın kızılötesi dalga boylarında ışığın yüksek spektral çözünürlüğünü sağlayan bir alet.
HAT-P-32b gezegeni, Macar yapımı Otomatik Teleskop Ağı’ndan alınan spektroskopik veriler kullanılarak 2011 yılında keşfedildi. ‘Sıcak’ olarak bilinir Jüpiterkomşu gezegenimiz Jüpiter’e benzeyen ancak iki katı yarıçapa sahip bir gaz devi. Bu sıcak Jüpiter, Dünya’dan Güneş’e olan mesafenin yaklaşık yüzde üçü kadar uzaklıkta, ev sahibi yıldızına yakın bir yörüngede sarılıyor. Yörünge süresi (Dünya’da bir yıl olarak kabul ettiğimiz süre) yalnızca 2,15 gündür ve yıldıza olan bu yakınlığı onu hem uzun hem de kısa dalga radyasyonuyla yakar.
Texas Gelişmiş Bilgi İşlem Merkezi’ndeki Stampede2 süper bilgisayarı. Kredi bilgileri: TACC
Neptün Çölü’ne Dalmak
Bilim adamlarının sıcak Jüpiter’leri incelemeye olan ilgisinin ana motivasyonu, kısa yörünge dönemlerine sahip orta kütleli gezegenlerin veya Jüpiter altı gezegenlerin ortalama olarak açıklanamayan göreceli kıtlığı olan Neptün çölünün gizemini araştırmalarıdır.
Zhang, “Potansiyel açıklamalardan biri gezegenlerin kütlelerini kaybediyor olabileceğidir” dedi. “Atmosferini kaybetme sürecinde olan gezegenleri yakalayabilirsek, o zaman gezegenin ne kadar hızlı kütle kaybettiğini ve atmosferinin gezegenden kaçmasına neden olan mekanizmaların neler olduğunu inceleyebiliriz. HAT-P-32b sürecini çalışırken görmek için bazı örneklerin olması güzel.”
Çalışmada analiz edilen ışık HAT-P-32 A yıldızından geliyor. Biraz daha sıcak ve bizim güneşimize benzer büyüklükte. Analiz edilen ışık yalnızca düz yıldız ışığı değildir. Gezegen yıldızın önünden geçerken, yalnızca birkaç saat boyunca yıldız ışığı gezegenin gazlı atmosferi tarafından en fazla filtreleniyor. Soğurma adı verilen bu filtreleme, geçiş yapan gezegenin özelliklerini ortaya çıkarıyor; bu örnekte, spektrumlar analiz edildiğinde devasa miktarda helyum çıkışı görülüyor.
Zhang ve meslektaşları, tıpkı bir prizmanın güneş ışığını gökkuşağı spektrumuna ayırması gibi, yıldız ışığını bileşen frekanslarına ayırmak için iletim spektroskopisi adı verilen bir teknik kullandılar. Spektrumdaki boşluklar, ışığın HAT-P-32b’nin gazlı atmosferindeki elementler tarafından emildiğini gösterir.
“Verilerimizde gördüğümüz şey, gezegen yıldızın önünden geçerken daha derin helyum soğurma çizgileri olduğunu görüyoruz. Helyum emilimi yıldız atmosferinden beklediğimizden daha güçlü. Bu aşırı helyum emiliminin gezegenin atmosferinden kaynaklanması gerekir. Gezegen geçiş yaparken, atmosferi o kadar büyüktür ki, atmosferin helyum hattını emen bir kısmını bloke eder ve bu da aşırı emilime neden olur. HAT-P-32b’nin ilginç bir gezegen olduğunu bu şekilde keşfettik” dedi Zhang.
3D Simülasyonlar ve Atmosfer Dinamikleri
Amsterdam Üniversitesi Anton Pannekoek Astronomi Enstitüsü’nden Antonija Oklopčić liderliğinde HAT-P-32b ve ev sahibi yıldızın 3 boyutlu hidrodinamik simülasyonlarını geliştirdikçe olay daha da ilginç hale geldi; ve Morgan MacLeod, Teori ve Hesaplama Enstitüsü, Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi, Harvard Üniversitesi.
Modeller, güneş dışı sistemin gelgit yerçekimi alanındaki gezegensel akış ve yıldız rüzgarları arasındaki etkileşimleri inceledi. Modeller, gözlemlerle eşleşen geçiş noktalarından uzakta bile aşırı helyum emilimiyle birlikte gezegensel akışın sütunlu kuyruklarını yörünge yolu boyunca hem yönlendirdiğini hem de takip ettiğini gösterdi. Dahası, modeller yaklaşık 4 x 10e10 Dünya yılında atmosferin tamamen kaybolacağını öne sürüyor.
MacLeod, “Hesaplamalarımız için TACC’nin Stampede2 sisteminin Intel Skylake düğümlerini kullandık” dedi. “Bu hesaplama, gezegenin yakınında yavaş hareket eden ses altı ‘atmosferden’ uzaklaşırken ses üstü rüzgara doğru hızlanırken akışın izlenmesini içeriyor. HAT-P-32b sisteminin, gezegenin yıldız etrafındaki yörüngesine benzer büyüklükte büyük ölçekli bir çıkışa sahip olduğu belirlendi. Birlikte ele alındığında, bu gereksinimler istikrarlı, yüksekkesinlik üç boyutlu gaz dinamiğini çözmek için algoritma.”
Modelleyiciler hesaplamalarını Stampede2’de yapmak için Athena++ hidrodinamik yazılımını ve özel bir problem kurulumunu kullandılar. Bununla birlikte, gezegenin yörünge hareketiyle eşleşen dönen bir referans çerçevesinde gaz dinamiği denklemlerini çözüyorlar. Athena++ bir Euler kodudur – akış, hacim elemanlarıyla ayrıklaştırılmıştır – ve gezegenin yüzeyine yakın atmosferin çok daha küçük ölçeğinin yanı sıra büyük ölçekli yıldız-gezegen sistemini yakalamak için iç içe geçmiş ağ iyileştirme katmanları kullandılar.
MacLeod, “TACC HPC sistemlerini kullanmak bir keyif” dedi. “Bunun içinde birkaç şey var; ilki ve en önemlisi destek düzeyi. Ne zaman bir sorunum olsa destek hattını arayabilir, yardım alabilir ve en iyi olduğum bilimi yapmaya geri dönebilirim. İkinci olarak, zamanımın büyük çoğunluğu tek ve tam ölçekli bir hesaplama yapmak yerine model sonuçlarını geliştirmeye ve doğrulamaya gidiyor. TACC sistemleri bu gerçeklik için inanılmaz derecede iyi ayarlanmış ve geliştirme hızını büyük ölçüde hızlandırıyor. Geliştirme kuyrukları boyunca test hesaplamaları yürütebilmek veya nihai bir modele giden yolda çeşitli boyutlarda daha büyük hesaplamalar gönderebilmek bu ortamlarda çok önemli ve etkilidir.”
Dış Gezegen Araştırmalarının Geleceği
Bilim insanları ileriye dönük olarak, yüzlerce, hatta binlerce ışıkyılı uzaklıktaki daha uzak dünyalardaki gazların atmosferik karışımı ve hatta atmosferdeki rüzgarlar gibi etkileri yakalayan karmaşık 3 boyutlu modeller geliştirmeye devam etmeyi umuyorlar.
Zhang, “Şimdi bunu gerçekleştirecek hesaplama gücüne sahip süper bilgisayarlara sahip olmanın zamanı geldi” dedi. “Teorikteki son gelişmelere dayanarak gerçek tahminler yapmak ve verileri açıklamak için bilgisayarlara ihtiyacımız var. Süper bilgisayarlar model ve veriler arasında köprü kuruyor.”
MacLeod, “Yapabileceğimiz en iyi şey gece gökyüzünü izlemek ve gördüklerimizi bilgisayar modellemesi yoluyla yeniden yaratmaya çalışmaktır” diye bitirdi. “Evrenimiz karmaşıktır. Bu, kesinlikle en iyi süper bilgi işlem sistemlerine erişmemiz gerektiği anlamına geliyor.”
Referans: Zhoujian Zhang, Caroline V. Morley, Michael Gully-Santiago, Morgan MacLeod, Antonija Oklopčić, Jessica Luna, Quang H. Tran, Joe P. Ninan, Suvrath Mahadevan, Daniel M. Krolikowski, William D. Cochran, Brendan P. Bowler, Michael Endl, Gudmundur Stefánsson, Benjamin M. Tofflemire, Andrew Vanderburg ve Gregory R. Zeimann, 7 Haziran 2023, Bilim Gelişmeleri.
DOI: 10.1126/sciadv.adf8736
Çalışmanın yazarları UCSC’den Zhoujian Zhang; Caroline V. Morley, Michael Gully-Santiago, Jessica Luna, Quang H. Tran, Daniel M. Krolikowski, William D. Cochran, Brendan P. Bowler, Michael Endl, Gudmundur Stefánsson, Benjamin M. Tofflemire, UT’den Gregory R. Zeimann Austin; Harvard Üniversitesi’nden Morgan MacLeod; Amsterdam Üniversitesi’nden Antonija Oklopčić; Tata Temel Araştırma Enstitüsü’nden Joe P. Ninan; Pensilvanya Eyalet Üniversitesi’nden Suvrath Mahadevan; Andrew Vanderburg MİT. Finansman geldi NASA Dış Gezegenler Araştırma Programı hibe numarası 80NSSC20K0257; Ulusal Bilim Vakfı hibesi 2108801; NASA Hubble Bursu, HST-HF2-51522.001-A’yı veriyor. Destek ayrıca AST-1006676, AST-1126413, AST-1310875, AST-1310885, AST 2009889, AST 2009982, ATI 2009955 ve AAG 2108512 NSF hibelerinden ve Heising-Simons Vakfı’ndan 2017-0494 hibe yoluyla geldi.