آیا JWST اکنون یک هواشناس بین سیاره ای است؟

JWST همچنان در حال افزایش است. در آخرین اقدام تلسکوپ برای پیشی گرفتن از خود، یک سیاره فراخورشیدی دوردست را کاوش می کند تا زمان خود را ترسیم کند. پیش بینی؟

دوزخی بی پایان و جوشان که توسط بادهای مافوق صوت بی وقفه رانده می شود.

WASP-43b یک مشتری داغ است که به دور یک ستاره دنباله اصلی در فاصله 261 سال نوری از ما می چرخد. شعاع آن کمی بزرگتر از مشتری است و تقریباً دو برابر جرم است. این ستاره در کمتر از 20 ساعت به دور ستاره خود می چرخد ​​و تنها 1.3 میلیون مایل از ما فاصله دارد. این بدان معناست که به طور جزر و مدی به ستاره قفل شده است، یک طرف آن رو به تمام تشعشعات و طرف دیگر به طور دائم تاریک است.

این برای غول های گازی فراسیاره ای غیرعادی نیست. آنها اغلب به ستاره های خود نزدیک هستند و نمی چرخند.

کشف WASP-43b در سال 2011 اعلام شد. از آن زمان، اخترشناسان به طور گسترده آن را مطالعه کردند. در سال 2019، محققان طیف آن را گرفته و آب را در ابرهای آن گزارش کردند. در مقابل، هیچ متان، دی اکسید کربن یا مونوکسید کربن شناسایی نشد. تحقیقات بیشتر نشان می دهد که ذرات معدنی بر ابرهای آن تسلط دارند. تلسکوپ فضایی هابل تا حد زیادی مسئول این نتایج است. تلسکوپ های دیگری مانند اسپیتزر نیز کمک کرده اند.

دانشمندان می دانستند که زمانی که JWST پرتاب شد، در نهایت WASP-43b را هدف قرار داد. نویسندگان توضیح دادند: “داشتن یک دوره مداری کوتاه و قفل بودن جزر و مد، WASP-43b را به یک کاندید ایده آل برای مشاهدات JWST تبدیل می کند.” مقاله 2020. مشاهدات منحنی فاز تمام مدار، نقشه برداری از ساختار جوی کل سیاره را امکان پذیر می کند، با طول موج های مختلف رصدی که به آنها اجازه می دهد تا اعماق جوی مختلف را ببینند.

اکنون ما در آینده هستیم و JWST به WASP-43b نگاه کرده و مشاهدات دقیق تری را نسبت به قبل ثبت کرده است. توانایی‌های مادون قرمز قدرتمند تلسکوپ فضایی گرما را در دو طرف سیاره اندازه‌گیری می‌کند و امکان نقشه‌برداری از ساختار جوی سیاره را فراهم می‌کند، درست همانطور که نویسندگان گزارش ۲۰۲۰ می‌گویند.

این واقعیت که ما می توانیم دما را به این شکل ترسیم کنیم، گواهی واقعی بر حساسیت و پایداری وب است.

مایکل رومن، دانشگاه لستر

مقاله جدیدی در Nature Astronomy نتایج را ارائه می دهد. با عنوان “ابرهای شبانه و شیمی غیر تعادلی مشتری داغ WASP-43b.نویسنده اصلی، تیلور بل، محقق موسسه مطالعات زیست محیطی منطقه خلیج است.

«با هابل به وضوح می‌توانستیم ببینیم که بخار آب در طول روز وجود دارد. هم هابل و هم اسپیتزر پیشنهاد می کنند که ممکن است ابرهایی در سمت شب وجود داشته باشد. اما ما به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری از وب نیاز داشتیم تا واقعاً شروع به نقشه‌برداری از دما، پوشش ابر، بادها و ترکیب دقیق‌تر جوی در سراسر سیاره کنیم.

با وجود قدرت، JWST نمی تواند مستقیماً WASP-43b را ببیند. در عوض، از طیف‌سنجی منحنی فاز استفاده می‌کند. طیف‌سنجی منحنی فاز، نور سیاره و ستاره را در طول زمان اندازه‌گیری می‌کند و تغییرات کوچکی را در نور هر دو در حین چرخش سیاره به دور ستاره حس می‌کند. از آنجایی که JWST نور مادون قرمزی را که بسته به گرمای جسم ساطع می شود، حس می کند، داده های روشنایی در حال تغییر تلسکوپ دمای سیاره را بیان می کند.

طیف سنج MIRI در JWST منحنی فاز WASP-43b را ثبت کرد. گرمترین سیاره زمانی است که در طرف مقابل ستاره باشد و سمت نورانی آن رو به تلسکوپ باشد. وقتی سیاره در آن سمت ستاره قرار دارد و از مقابل آن عبور می کند، تلسکوپ سمت تاریک سردتر را می بیند.

بل توضیح داد: «با مشاهده یک مدار کامل، ما توانستیم دمای طرف‌های مختلف سیاره را هنگام چرخش به سمت دید محاسبه کنیم. از این طریق می‌توانیم یک نقشه دمایی کل سیاره بسازیم.»

برای قرار دادن داده ها در چشم انداز، محققان منحنی فاز WASP-43b را با آن مقایسه کردند مدل گردش عمومی شبیه سازی (GCM) داده‌های منحنی فاز JWST با GCM ابری بیشتر از GCM بدون ابر مطابقت دارد.

نویسندگان در مقاله خود توضیح می‌دهند: «مدل‌های ابری می‌توانند تشعشعات شبانه را سرکوب کنند و بهتر با داده‌ها مطابقت داشته باشند».

محققان از داده های مادون قرمز دقیق برای ساختن نقشه دمایی سیاره فراخورشیدی استفاده کردند. دمای هوای روز حدود 1250 درجه سانتیگراد (2300 فارنهایت) است که تقریباً به اندازه کافی برای جعل آهن گرم است. اما سمت شب احتمالاً دارای یک لایه ضخیم از ابرهای مرتفع است که مقداری از گرما را به دام می اندازد. این ابرها باعث می‌شوند که طرف شب خنک‌تر از آنچه هست به نظر برسد، در دمای حدوداً 600 درجه سانتیگراد (1100 درجه فارنهایت) بسیار خنک‌تر است، اما هنوز آنقدر گرم است که آلومینیوم را ذوب کند.

مایکل رومن، یکی از نویسندگان از دانشگاه لستر در بریتانیا، گفت: «این واقعیت که می‌توانیم دما را به این روش ترسیم کنیم، گواهی واقعی بر حساسیت و پایداری وب است.

محققان همچنین یک نقطه داغ را در جو WASP-43b ترسیم کردند و این به آنها کمک کرد تا بادهای شدید سیاره فراخورشیدی را بسنجند. نقطه داغ در شرق نقطه ای است که بیشترین نور ستاره را دریافت می کند. این بدان معنی است که بادهای قوی گاز گرم شده را حرکت می دهند.

طیف JWST همچنین به محققان اجازه داد تا حضور بخار آب را اندازه گیری کنند (H₂O) و متان (CH₄جوآنا بارستو، یکی از نویسندگان این مقاله از دانشگاه آزاد در بریتانیا، گفت: «وب ما را قادر ساخته است که دقیقاً بفهمیم کدام مولکول‌ها را می‌بینیم و محدودیت‌هایی برای فراوانی ایجاد کرده است.

وب بخار آب را در دو طرف روز و شب یافت که نشان دهنده ضخامت و ارتفاع ابر است. با این حال، تلسکوپ عدم وجود متان (CH₄) که غیرعادی است. گرمای شدید در طول روز به این معنی است که کربن به شکل مونوکسید کربن (CO) است. اما قسمت خنک‌تر شب باید متان پایدار داشته باشد. چرا او رفته است؟ وزش بادهای شدید مسئول هستند.

بارستو توضیح داد: «این واقعیت که ما متان نمی بینیم به ما می گوید که سرعت باد WASP-43b باید به حدود 5000 مایل در ساعت برسد. “اگر بادها گاز را از روز به سمت شب منتقل کنند و به سرعت به سمت شب برگردند، زمان کافی برای واکنش های شیمیایی مورد انتظار برای تولید مقادیر قابل تشخیص متان در شب وجود ندارد.”

از طریق GIPHY

مشاهدات قبلی با هابل، اسپیتزر و دیگران برخی از جنبه های جو WASP-43b را آشکار کرده است. اما JWST یک قدم فراتر رفت. دانشمندان با تعیین سرعت بسیار بالای باد سیاره فراخورشیدی، اکنون بر این باورند که جو در سراسر سیاره یکسان است.

نویسندگان در مقاله خود نوشتند: «در مجموع، نتایج ما قابلیت‌های منحصربه‌فرد JWST/MIRI را برای توصیف جو سیاره‌های فراخورشیدی برجسته می‌کند. آنها اشاره می کنند که هنوز اختلافاتی بین منحنی فاز، شبیه سازی های GCM و تعادل شیمیایی در جو وجود دارد.

به گفته محققان، مشاهدات JWST بیشتر از سیارات فراخورشیدی می تواند به حل آنها کمک کند. آنها نتیجه می‌گیرند: «این اختلافات باقی‌مانده اهمیت بررسی بیشتر اثرات ابرها و شیمی غیرتعادلی را در مدل‌های عددی نشان می‌دهد، زیرا JWST همچنان محدودیت‌های بی‌سابقه‌ای را برای مشاهدات سیارات کوچک‌تر و خنک‌تر اعمال می‌کند».