Webb’in Uzak Bir Dünyanın Garip Atmosferini Anlama Yolculuğu

Terminatörün yakın kızılötesi spektral analizi sabah ve akşam atmosferindeki farklılıkları doğruluyor.

İlk günden beri dış gezegen 1992’de keşfedildi, güneş sistemimizin dışındaki yıldızların yörüngesinde dönen binlerce gezegen, doğrudan görüntüleme, kütleçekimsel mikro mercekleme, geçişleri ölçme ve astrometri gibi çeşitli farklı yöntemlerle doğrulandı. Yıllar geçtikçe, bu dış gezegenleri incelemek için teknikler gelişti ve gökbilimciler bu uzak dünyaların atmosferik bileşimleri hakkında ayrıntılar öğrendi.

NASA‘S James Webb Uzay Teleskobu Bu çalışma alanını geliştirmeye ve dış gezegenlerin ve atmosferlerinin çeşitliliği hakkındaki anlayışımızı derinleştirmeye devam ediyor.

Son durum ne? Webb, gökbilimcilerin gelgitsel olarak kilitli bir dış gezegende sabah ve akşam arasındaki atmosfer farklarını ayrıştırmasına olanak sağladı. Bu, WASP-39 b gibi Dünya’dan 700 ışık yılı uzaklıktaki uzak bir dünya için inanılmaz bir başarı.

Bu sanatçının konsepti, NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu’nun yanı sıra diğer uzay ve yer tabanlı teleskoplardan alınan dolaylı geçiş gözlemlerine dayanarak, WASP-39 b gezegeninin nasıl görünebileceğini gösteriyor. Kaynak: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Webb Uzay Teleskobu Uzak Dünyadaki Ebedi Güneş Doğuşlarını ve Gün Batımlarını Araştırıyor

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu’nu kullanan araştırmacılar, modellerin daha önce öngördüğü şeyi nihayet doğruladı: Bir dış gezegenin sonsuz sabahı ile sonsuz akşamı arasında atmosfer farklılıkları vardır. Çapı Güneş’in 1,3 katı olan dev bir gezegen olan WASP-39 b Jüpiterancak benzer kütle Satürn Dünya’dan yaklaşık 700 ışık yılı uzaklıktaki bir yıldızın yörüngesinde döner, ana yıldızına gelgitsel olarak kilitlenmiştir. Bu, sabit bir gündüz ve sabit bir gece tarafına sahip olduğu anlamına gelir; gezegenin bir tarafı her zaman yıldızına maruz kalırken, diğer tarafı her zaman karanlıkla örtülüdür.

Webb’in NIRSpec’ini (Yakın Kızılötesi Spektrografı) kullanan gökbilimciler, WASP-39 b’de sonsuz sabah ile sonsuz akşam arasında bir sıcaklık farkı olduğunu ve akşamın yaklaşık 300 derece daha sıcak göründüğünü doğruladılar. Fahrenhayt derece (yaklaşık 200) Santigrat derece (derece). Ayrıca, gezegenin sonsuza dek sabah olan kısmının akşamdan daha bulutlu olma ihtimalinin yüksek olduğu farklı bulut örtülerine dair kanıtlar buldular.

Bu animasyon, Webb’in uzak ötegezegenlerin atmosferlerini incelemek için iletim spektroskopisini nasıl kullandığını anlatıyor. Kaynak: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Gezegen Dışı Atmosfer Çalışmalarındaki Gelişmeler

Gökbilimciler, gezegenin gündüz ve gece tarafını ayıran sınır olan ötegezegenin sonlandırıcısını inceleyen bir teknik olan WASP-39 b’nin 2 ila 5 mikronluk iletim spektrumunu analiz ettiler. Bir iletim spektrumu, bir gezegenin yıldızın önünden geçerken atmosferinden süzülen yıldız ışığı ile gezegen yıldızın yanındayken tespit edilen süzülmemiş yıldız ışığının karşılaştırılmasıyla oluşturulur. Bu karşılaştırmayı yaparken araştırmacılar gezegenin atmosferinin sıcaklığı, bileşimi ve diğer özellikleri hakkında bilgi edinebilirler.

“WASP-39 b, Webb ile dış gezegenlerin atmosferini incelemede bir tür ölçüt gezegen haline geldi” dedi, dış gezegen araştırmacısı Néstor Espinoza. Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü ve çalışmanın baş yazarı. “Şişkin, kabarık bir atmosferi var, bu yüzden gezegenin atmosferinden süzülen yıldız ışığından gelen sinyal oldukça güçlü.”

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu’nun NIRSpec’inden (Yakın Kızılötesi Spektrograf) alınan bir ışık eğrisi, gezegen yıldızın önünden geçerken WASP-39 yıldız sistemindeki parlaklıktaki değişimi zaman içinde gösterir. Bu gözlem, tek bir parlak nesneden (WASP-39 b’nin ana yıldızı gibi) gelen ışığı yaymak ve her bir ışık dalga boyunun parlaklığını belirli zaman aralıklarında ölçmek için bir kafes kullanan NIRSpec’in parlak nesne zaman serisi modu kullanılarak yapılmıştır. Kaynak: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Sıcaklık ve Atmosferik Kompozisyon İçgörüleri

WASP-39b’nin atmosferinin daha önce yayınlanmış olan ve karbondioksit, kükürt dioksit, su buharı ve sodyumun varlığını ortaya koyan Webb spektrumları, tüm gece/gündüz sınırını temsil ediyor; bir taraf ile diğeri arasında ayrıntılı bir ayrım yapma girişimi yoktu.

Şimdi, yeni analiz terminatör bölgesinden iki farklı spektrum oluşturuyor ve esasen gün/gece sınırını iki yarım daireye bölüyor, biri akşamdan, diğeri sabahtan. Veriler akşamın önemli ölçüde daha sıcak olduğunu, kavurucu 1.450 derece Fahrenheit (800 derece Santigrat) ve sabahın nispeten daha soğuk 1.150 derece Fahrenheit (600 derece Santigrat) olduğunu ortaya koyuyor.

Webb’in NIRSpec (Yakın Kızılötesi Spektrograf) PRISM parlak nesne-zaman serisi modu kullanılarak yakalanan bu iletim spektrumu, sıcak gaz devi ötegezegen WASP-39 b’nin atmosferi tarafından engellenen yakın kızılötesi yıldız ışığının miktarını göstermektedir. Spektrum, su ve karbondioksit için açık kanıtlar ve ötegezegende sabah ve akşam arasındaki sıcaklıkta bir değişiklik göstermektedir.
WASP-39 b’nin iletim spektrumunun yeni analizi, gezegen dışı gezegendeki sabit gündüz/gece sınırından iki farklı spektrum oluşturarak, bu sonlandırıcı bölgeyi esasen iki yarım daireye bölüyor, biri akşamdan, diğeri sabahtan. Veriler, akşamın önemli ölçüde daha sıcak olduğunu, yakıcı 1.450 derece Fahrenheit (800 santigrat derece) ve sabahın nispeten daha soğuk 1.150 derece Fahrenheit (600 santigrat derece) olduğunu ortaya koyuyor.
Mavi ve sarı çizgiler, verileri, WASP-39 b’nin ve yıldızının bilinen özelliklerini (örneğin boyut, kütle, sıcaklık) ve atmosferin varsayılan özelliklerini hesaba katan en iyi uyumlu modeli göstermektedir.
Telif Hakkı: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Sıcaklık Değişimlerinin Etkileri

“Bu küçük farkı ayrıştırabilmemiz gerçekten şaşırtıcı ve bu yalnızca Webb’in yakın kızılötesi dalga boylarındaki hassasiyeti ve son derece kararlı fotometrik sensörleri sayesinde mümkün,” dedi Espinoza. “Veri toplarken cihazda veya gözlemevinde herhangi bir küçük hareket, bu tespiti yapma yeteneğimizi ciddi şekilde kısıtlardı. Olağanüstü derecede hassas olmalı ve Webb tam da bu.”

Elde edilen verilerin kapsamlı modellemesi araştırmacıların WASP-39 b’nin atmosferinin yapısını, bulut örtüsünü ve akşamın neden daha sıcak olduğunu araştırmasına da olanak tanır. Ekibin gelecekteki çalışmaları bulut örtüsünün sıcaklığı nasıl etkileyebileceğini ve tam tersini incelerken, gökbilimciler gezegenin etrafındaki gaz dolaşımının WASP-39 b’deki sıcaklık farkının ana suçlusu olduğunu doğruladılar.

Gezegensel Rüzgar Desenlerini ve Sıcaklık Dinamiklerini Anlamak

WASP-39 b gibi yıldızına nispeten yakın yörüngede dönen oldukça fazla ışınlanmış bir dış gezegende, araştırmacılar genellikle gazın gezegen yıldızının etrafında dönerken hareket ettiğini beklerler: Gündüz tarafındaki daha sıcak gaz, güçlü bir ekvatoral jet akımı aracılığıyla akşam boyunca gece tarafına hareket etmelidir. Sıcaklık farkı çok uç olduğundan, hava basıncı farkı da önemli olacaktır ve bu da yüksek rüzgar hızlarına neden olacaktır.

Dünya’daki hava modellerini tahmin etmek için kullanılanlara benzer 3 boyutlu modeller olan Genel Dolaşım Modelleri’ni kullanan araştırmacılar, WASP-39 b’de hakim rüzgarların muhtemelen gece tarafından sabah sonlandırıcısı boyunca, gündüz tarafının etrafında, akşam sonlandırıcısı boyunca ve sonra gece tarafının etrafında hareket ettiğini buldular. Sonuç olarak, sonlandırıcının sabah tarafı akşam tarafından daha soğuktur. Başka bir deyişle, sabah tarafı gece tarafında soğumuş hava rüzgarlarıyla çarparken, akşam tarafı gündüz tarafında ısınmış hava rüzgarlarıyla vurulur. Araştırmalar, WASP-39 b’deki rüzgar hızlarının saatte binlerce mile ulaşabileceğini gösteriyor!

Gelecekteki Araştırma Yönleri ve Webb’in Erken Bilim Katkıları

“Bu analiz aynı zamanda özellikle ilginç çünkü gezegen hakkında daha önce elde edemediğiniz 3 boyutlu bilgiler elde ediyorsunuz,” diye ekledi Espinoza. “Çünkü akşam kenarının daha sıcak olduğunu söyleyebiliriz, bu da biraz daha kabarık olduğu anlamına geliyor. Yani teorik olarak, gezegenin gece tarafına yaklaşan terminatörde küçük bir dalga var.”

Ekibin sonuçları dergide yayımlandı Doğa.

Araştırmacılar şimdi Webb Döngüsü 2 Genel Gözlemciler Programı 3969’un bir parçası olarak, aynı analiz yöntemini kullanarak diğer gelgitsel olarak kilitli sıcak Jüpiterlerin atmosferik farklılıklarını incelemeyi hedefliyorlar.

WASP-39 b, Webb’in 2022’de düzenli bilimsel faaliyetlerine başlamasıyla birlikte analiz ettiği ilk hedefler arasındaydı. Bu çalışmadaki veriler, bilim insanlarının teleskopun aletlerini nasıl kullanacaklarını ve tüm bilimsel potansiyellerini nasıl gerçekleştireceklerini hızla öğrenmelerine yardımcı olmak için tasarlanmış Erken Yayın Bilim programı 1366 kapsamında toplandı.

Kaynak: Néstor Espinoza, Maria E. Steinrueck, James Kirk, Ryan J. MacDonald, Arjun B. Savel, Kenneth Arnold, Eliza M.-R. tarafından yazılan “WASP-39 b dış gezegenindeki homojen olmayan sonlandırıcılar” 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 JM Crossfield, David Haegele, Eric Hébrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm ve Nicolas Crouzet, 15 Temmuz 2024 Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

James Webb Uzay Teleskobu (JWST), 25 Aralık 2021’de fırlatılan büyük bir uzay tabanlı gözlemevidir. NASA’nın da dahil olduğu işbirlikli bir projedir. Avrupa Uzay Ajansı (ESA) ve Kanada Uzay Ajansı (CSA). Bilimsel halefi olarak Hubble uzay teleskobuJWST, elektromanyetik spektrumun kızılötesi aralığında benzeri görülmemiş çözünürlükler ve hassasiyetler sağlamak üzere tasarlanmıştır. Bu yetenek, gökbilimcilerin kozmik tarihin her aşamasını incelemesine olanak tanır – ilk parıltılardan sonraki Büyük patlamaDünya gibi gezegenlerde yaşamı destekleyebilecek güneş sistemlerinin oluşumundan kendi Güneş Sistemimizin evrimine kadar. İkinci Lagrange noktasında (L2) konumlanan JWST, evrenin yapısı ve kökenleri hakkında yeni bakış açıları ortaya çıkarmaya yardımcı olarak çok çeşitli bilimsel soruları araştıracaktır.