James Webb Teleskobu, Kabarık Bir Ötegezegenin Atmosferinin Sırlarını Ortaya Çıkarıyor

JWST’nin MIRI’si ile yapılan gözlemler, WASP-107b’nin atmosferindeki su buharını, kükürt dioksiti ve kum bulutlarını tespit ediyor.

MPIA araştırmacılarının da liderliğini yaptığı Avrupalı ​​gökbilimcilerden oluşan bir ekip, gök cisimiyle yapılan son gözlemleri kullandı. James Webb Uzay Teleskobu (JWST) yakındaki atmosferi incelemek için dış gezegen WASP-107b. Yumuşak atmosferinin derinliklerine baktıklarında su buharı, kükürt dioksit ve hatta silikat kum bulutları keşfettiler. Bu parçacıklar, malzemenin güçlü bir şekilde taşınmasını sergileyen dinamik bir atmosfer içinde bulunur.

WASP-107b, Güneşimizden biraz daha soğuk ve daha az kütleli bir yıldızın yörüngesinde dönen, gaz halindeki benzersiz bir ötegezegendir. Gezegenin kütlesi şuna benzer: Neptünama boyutu çok daha büyük, neredeyse yaklaşıyor Jüpiterboyutu. Bu özellik, WASP-107b’yi Güneş Sistemi’ndeki gaz devi gezegenlerle karşılaştırıldığında oldukça ‘kabarık’ kılıyor. Bu, gökbilimcilerin, Jüpiter gibi bir güneş sistemi devi için elde edilen keşif derinliğinden yaklaşık 50 kat daha derin bir atmosfere bakmalarına olanak tanıyor.

Webb’in Orta Kızılötesi Cihazı Kimyayı Ortaya Çıkarıyor

Avrupalı ​​gökbilimcilerden oluşan ekip, onu James Webb Uzay Teleskobu (JWST) üzerindeki Orta Kızılötesi Aygıt (MIRI) ile gözlemleyerek bu ötegezegenin dikkat çekici yumuşaklığından tam anlamıyla yararlandı. Bu fırsat, atmosferinin derinliklerine bakmak ve karmaşık kimyasal bileşimini açığa çıkarmak için bir pencere açtı. Bunun arkasındaki neden nispeten basittir: sinyaller veya spektral özellikler, daha az yoğun bir atmosferde, daha kompakt bir atmosfere kıyasla çok daha belirgindir. Yakın zamanda dergide yayınlanan son çalışmaları Doğasu buharı, kükürt dioksit (SO) varlığını ortaya çıkarır₂) ve silikat bulutları, ancak özellikle sera gazı metanının (CH₄).

Bu tespitler, bu büyüleyici ötegezegenin dinamikleri ve kimyası hakkında önemli bilgiler sağlıyor. Birincisi, metanın yokluğu, potansiyel olarak sıcak bir iç mekana işaret ediyor ve gezegenin atmosferinde ısı enerjisinin taşınmasına dair cezbedici bir bakış sunuyor. İkincisi, kükürt dioksitin (yanmış kibrit kokusuyla bilinir) keşfi büyük bir sürprizdi. Önceki hesaplamalar onun yokluğunu öngörmüştü, ancak WASP-107b’nin atmosferine ilişkin yeni iklim modelleri artık onun kabarık doğasının kükürt dioksit oluşumuna uyum sağladığını gösteriyor. Oldukça soğuk olan ev sahibi yıldız, yüksek enerjili fotonların nispeten küçük bir kısmını yaymasına rağmen, bunlar gezegenin atmosferinin derinliklerine ulaşabilirler. Bu durum kükürt dioksit üretmek için gerekli kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesini sağlar.

Sıcak Neptün dış gezegeni WASP-107b’nin, JWST gemisindeki Orta Kızılötesi Enstrümanın (MIRI) Düşük Çözünürlüklü Spektrometresi (LRS) tarafından yakalanan iletim spektrumu, Neptün’deki su buharı, kükürt dioksit ve silikat (kum) bulutlarına dair kanıtları ortaya koyuyor gezegenin atmosferi. Gökbilimciler, ötegezegenin geçiş yapmadığı zamanlarda yıldızın ışığını ölçerek işe başlıyor. Bu temel yıldız ışığıdır. Dış gezegen, ev sahibi yıldızının önünden geçerken yıldız ışığını kısmen engelliyor. Aynı zamanda ötegezegenin atmosferinden bir miktar yıldız ışığı geçiyor. MIRI, geçiş sırasında toplam ışığı (yıldız ışığı artı ötegezegenin atmosferinden geçen yıldız ışığı) kaydeder. Bilim insanları, her dalga boyu için gezegen ve atmosferi (beyaz daireler) tarafından engellenen yıldız ışığı miktarını, geçiş sırasında ölçülen toplam ışıktan temel yıldız ışığını çıkararak hesaplıyor. Spektrum 4,61 ila 11,83 mikron arasındaki dalga boylarını kapsar. Veriler, 1,1 ila 1,7 mikron arasında değişen Hubble verileriyle tamamlanıyor. Kesintisiz turuncu çizgi, JWST ve Hubble verilerine en uygun modeldir. Gölgeli renkli bölgeler, su buharının (kırmızı), kükürt dioksitin (mavi) ve kum bulutlarının (sarı) en uygun modele katkısını gösterir.
Katkıda bulunanlar: Michiel Min / Avrupa MIRI EXO GTO ekibi / ESA / NASA

WASP-107b’nin Hava Durumu Raporu Kum Bulutlarını Tahmin Ediyor

Ancak buldukları tek şey bu değil. Kükürt dioksit ve su buharının spektral özellikleri, bulutsuz bir senaryoya kıyasla önemli ölçüde azalmıştır. Yüksek irtifa bulutları atmosferdeki su buharını ve kükürt dioksiti kısmen gizler. Farklı maddelerden oluşan bulutların diğer ötegezegenlerde olduğu dolaylı yollarla anlaşılsa da bu, gökbilimcilerin bulutların kimyasal bileşimlerini kesin olarak tanımlayabildiği ilk örneği işaret ediyor. Bu durumda bulutlar, kumun ana bileşeni olarak dünyanın birçok yerinde bulunan tanıdık bir madde olan küçük silikat parçacıklarından oluşur.

KU Leuven’den başyazar Leen Decin, “JWST, olağanüstü bir hızda benzeri görülmemiş bilgiler sunarak dış gezegen karakterizasyonunda devrim yaratıyor” diyor. “JWST’nin MIRI cihazı tarafından bu kabarık dış gezegende kum, su ve kükürt dioksit bulutlarının keşfi çok önemli bir kilometre taşıdır. Gezegensel oluşum ve evrim anlayışımızı yeniden şekillendiriyor ve kendi Güneş Sistemimize yeni bir ışık tutuyor.”

Almanya’nın Heidelberg kentindeki Max Planck Astronomi Enstitüsü’nden (MPIA) ortak yazar Paul Mollière de aynı fikirde: “JWST’nin değeri abartılamaz: Bu teleskopla nereye bakarsak bakalım, her zaman yeni ve beklenmedik bir şey görürüz. Bu son sonuç bir istisna değil.”

WASP-107b, Güneşimizden biraz daha soğuk ve daha az kütleli bir yıldızın yörüngesinde dönen, gaz halindeki benzersiz bir ötegezegendir.

Silikat Damlacıklarının Egzotik Atmosfer Döngüsü

Suyun düşük sıcaklıklarda donduğu Dünya atmosferinin aksine, silikat parçacıkları donarak gaz halindeki gezegenlerde 1000 derece civarında sıcaklıklara ulaşan bulutlar oluşturabilir. santigrat. Bununla birlikte, dış atmosferin yaklaşık 500 santigrat dereceye kadar ısındığı WASP-107b durumunda, geleneksel modeller bu silikat bulutlarının, sıcaklıkların önemli ölçüde daha yüksek olduğu atmosferin derinliklerinde oluşması gerektiğini öngörüyordu. Ayrıca yüksek irtifadaki kum bulutları alt katmanlara kadar yağar. Peki bu kum bulutlarının yükseklerde var olması ve varlığını sürdürmesi nasıl mümkün olabiliyor?

“Bu kum bulutlarını atmosferin yukarılarında görmemiz, kum yağmuru damlacıklarının daha derin, çok sıcak katmanlarda buharlaştığı anlamına gelmelidir. Ortaya çıkan silikat buharı verimli bir şekilde yukarı kaldırılıyor,” diye açıklıyor SRON’dan (Hollanda Uzay Araştırmaları Enstitüsü) baş yazar Michiel Min. “Burada yeniden yoğunlaşarak silikat bulutları oluşturuyorlar. Bu, Dünya’nın su buharı ve bulut döngüsüne benzer ancak kum damlacıkları içerir.” Dikey taşınma yoluyla gerçekleşen bu sürekli süblimleşme ve yoğunlaşma döngüsü, WASP-107b’nin atmosferindeki kum bulutlarının sürekli varlığından sorumludur.

Bu öncü araştırma, WASP-107b’nin egzotik dünyasına ışık tutuyor ve gezegen dışı atmosferlere ilişkin anlayışımızın sınırlarını zorluyor. Bu uzak dünyalardaki kimyasalların ve iklim koşullarının karmaşık etkileşimini ortaya çıkararak, ötegezegen araştırmalarında önemli bir dönüm noktasına işaret ediyor.

James Webb Uzay Teleskobu sanatçısının anlayışı. Katkıda bulunanlar: NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI Laboratuvarı)

JWST ve MIRI, Ötegezegen Atmosferlerini Keşfetmek İçin Güçlü Araçlardır

MIRI eş-PI ve MPIA Direktörü Thomas Henning, “MPIA, MIRI’ye temel unsurları sağlamış olmaktan gurur duyuyor” diyor. “Bunların arasında MIRI’nin fotometresi ve spektrometresinin filtre tekerlekleri ile kimyasal imzaları içeren spektrumları üreten dalga boyu seçici elemanları konumlandıran mekanizmalar var.” MPIA personeli ayrıca MIRI’nin yerdeki ve uçuştaki testlerine de destek verdi.

“Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri’ndeki meslektaşlarımızla neredeyse 20 yıldır MIRI cihazını geliştiriyor ve test ediyoruz. KU Leuven’den alet uzmanı ve MIRI eş-PI Bart Vandenbussche, aletimizin bu ilgi çekici ötegezegenin atmosferini ortaya çıkardığını görmek ödüllendirici” diyor.

MPIA bilim insanı ve gözlem programından Jeroen Bouwman şunları ekliyor: “Bu çalışma, JWST gözlemlerinin çeşitli bağımsız analizlerinin sonuçlarını birleştiriyor ve yalnızca MIRI cihazının oluşturulmasına değil, aynı zamanda kalibrasyon ve analiz araçlarına da harcanan yılların emeğini temsil ediyor.” MIRI ile elde edilen gözlemsel veriler için.”

Bu keşif hakkında daha fazla bilgi için bkz. Webb Yakındaki Ötegezegende Su Buharını, Kükürt Dioksiti ve Kum Bulutlarını Tespit Ediyor.

Referans: “SO₂silikat bulutları, ancak CH yok₄ Sıcak Neptün’de tespit edildi” yazanlar Achrène Dyrek, Michiel Min, Leen Decin, Jeroen Bouwman, Nicolas Crouzet, Paul Mollière, Pierre-Olivier Lagage, Thomas Konings, Pascal Tremblin, Manuel Güdel, John Pye, Rens Waters, Thomas Henning, Bart Vandenbussche , Francisco Ardevol Martinez, Ioannis Argyriou, Elsa Ducrot, Linus Heinke, Gwenael Van Looveren, Olivier Absil, David Barrado, Pierre Baudoz, Anthony Boccaletti, Christophe Cossou, Alain Coulais, Billy Edwards, René Gastaud, Alistair Glasse, Adrian Glauser, Thomas P Greene, Sarah Kendrew, Oliver Krause, Fred Lahuis, Michael Mueller, Goran Olofsson, Polychronis Patapis, Daniel Rouan, Pierre Royer, Silvia Scheithauer, Ingo Waldmann, Niall Whiteford, Luis Colina, Ewine F. van Dishoeck, Göran Ostlin, Tom P Ray ve Gillian Wright, 15 Kasım 2023, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-023-06849-0

Arkaplan bilgisi

Bu gözlemler Garantili Zaman Gözlem Programı 1280’in bir parçası olarak elde edildi.

JWST dünyanın önde gelen uzay bilimi gözlemevidir. Güneş sistemimizdeki gizemleri çözüyor, diğer yıldızların etrafındaki uzak dünyalara bakıyor ve evrenimizin gizemli yapılarını, kökenlerini ve içindeki yerimizi araştırıyor. Webb liderliğindeki uluslararası bir programdır. NASA ortakları ESA ile (Avrupa Uzay Ajansı) ve CSA (Kanada Uzay Ajansı).

JWST’nin Avrupa araştırma kurumları konsorsiyumu tarafından inşa edilen Orta Kızılötesi Enstrümanı (MIRI), 5 ila 28 mikron arasındaki kızılötesi dalga boyları için çok amaçlı bir bilimsel araçtır. Bir görüntüleme kamerasını bir spektrografla birleştirir. Endüstriyel ortakların desteğiyle MPIA, filtre ve ızgara çarkları gibi tüm dalga boyu aralığı kontrol elemanlarının mekanizmalarını sağladı ve MIRI’nin elektrik tasarımına öncülük etti.

Avrupa konsorsiyumu 12 ülkedeki 29 araştırma kurumundan 46 gökbilimciden oluşuyor. MPIA ekibi Jeroen Bouwman, Paul Mollière, Thomas Henning, Oliver Krause ve Silvia Scheithauer’den oluşuyor.