آشکارسازی قسمت تاریک مشتری داغ برای اولین بار!!

مفهوم هنری از سیاره فراخورشیدی “مشتری داغ”. اعتبار: NASA/JPL-Caltech

اخترشناسان MIT واضح‌ترین دید را از سمت تاریک همیشگی یک سیاره فراخورشیدی به دست آورده‌اند که به صورت جزر و مدی به ستاره خود قفل شده است. مشاهدات آنها، همراه با اندازه‌گیری‌های سمت روز دائمی سیاره، اولین نمای دقیق از جو یک سیاره فراخورشیدی را ارائه می‌دهد.

توماس میکال ایوانز که به عنوان دکترای فوق دکتری در موسسه اخترفیزیک و فضا کاولی MIT این مطالعه را رهبری کرد، می‌گوید: «ما اکنون فراتر از گرفتن عکس‌های فوری جدا شده از مناطق خاصی از جو سیاره‌های فراخورشیدی هستیم تا آنها را به عنوان پژوهش سیستم‌های سه بعدی که واقعاً هستند مطالعه کنیم.

سیاره‌ WASP-121b، یک غول گازی پرجرم است که تقریباً دو برابر مشتری است. این سیاره مشتری فوق داغ است و در سال 2015 در حال گردش به دور ستاره‌ای در فاصله 850 سال نوری زمین کشف شد. WASP-121b یکی از کوتاهترین مدارهای کشف شده تا به امروز را دارد که تنها در 30 ساعت به دور ستاره خود می‌چرخد. همچنین به صورت جزر و مدی قفل شده است، به طوری که سمت “روز” رو به ستاره آن به طور دائم برشته می‌شود، در حالی که سمت “شب” آن برای همیشه به سمت فضا چرخیده است.

تانسو دایلان، یک فوق دکترای TESS در MIT که یکی از نویسندگان این مقاله است، می‌گوید: “مشتری‌های داغ به داشتن سمت بسیار روشن روز مشهور هستند، اما سمت شب کاملا متفاوت است. سمت شب WASP-121b تقریباً 10 برابر کم نورتر از سمت روز آن است.”

اخترشناسان قبلا بخار آب را شناسایی کرده بودند و چگونگی تغییر دمای اتمسفر با ارتفاع در سمت روز سیاره را بررسی کرده بودند.

مطالعه جدید تصویر بسیار دقیقتری را ثبت می‌کند. محققان توانستند تغییرات چشمگیر دما را از روز تا شب ترسیم کنند و ببینند که چگونه این دماها با ارتفاع تغییر می‌کند. آنها همچنین حضور آب را در جو ردیابی کردند تا برای اولین بار نشان دهند که چگونه آب بین دو طرف روز و شب یک سیاره در گردش است.

در حالی که روی زمین، آب ابتدا تبخیر می‌شود، سپس به ابرها متراکم می‌شود، سپس باران می‌بارد، در WASP-121b، چرخه آب بسیار شدیدتر است: در روز، اتم‌هایی که آب را تشکیل می‌دهند در دمای بیش از 3000 کلوین از هم جدا می‌شوند. این اتم‌ها به سمت شب دمیده می‌شوند، جایی که دماهای سردتر به اتم‌های هیدروژن و اکسیژن اجازه می‌دهد تا دوباره به مولکول‌های آب ترکیب شوند و سپس به سمت روز بازگردند، جایی که چرخه دوباره شروع می‌شود.

این تیم محاسبه می‌کند که چرخه آب سیاره توسط بادهایی حفظ می‌شود که اتم‌ها را در اطراف سیاره با سرعتی تا 5 کیلومتر در ثانیه یا بیش از 11000 مایل در ساعت می‌چرخاند.

همچنین به نظر می‌رسد که آب تنها در حال گردش در سراسر سیاره نیست. ستاره‌شناسان دریافتند که سمت شب به اندازه کافی سرد است که میزبان ابرهای عجیب و غریب از آهن و کوراندوم باشد، ماده معدنی که یاقوت و یاقوت کبود را تشکیل می‌دهد. این ابرها، مانند بخار آب، ممکن است به سمت روز حرکت کنند، جایی که دمای بالا، فلزات را به شکل گاز تبخیر می کند. در راه، باران عجیب و غریب ممکن است تولید شود: مانند جواهرات مایع از ابرهای کوراندوم.

مایکل ایوانز می‌گوید: «با این مشاهدات، ما واقعاً یک نمای جهانی از هواشناسی یک سیاره فراخورشیدی دریافت می‌کنیم.

نویسندگان این مطالعه شامل همکارانی از MIT، دانشگاه جان هاپکینز، کالتچ و سایر موسسات هستند.

روز و شب

این تیم WASP-121b را با استفاده از یک دوربین طیف‌سنجی در تلسکوپ فضایی هابل ناسا مشاهده کردند. این ابزار نور یک سیاره و ستاره آن را مشاهده می‌کند و آن نور را به طول موج‌های تشکیل‌دهنده آن تجزیه می‌کند، که شدت آن به ستاره‌شناسان سرنخ‌هایی از دما و ترکیب جو می‌دهد.

از طریق مطالعات طیف‌سنجی، دانشمندان جزئیات جوی را در طرف‌های روز بسیاری از سیارات فراخورشیدی مشاهده کردند. اما انجام همین کار برای سمت شب بسیار دشوارتر است، زیرا نیاز به مشاهده تغییرات کوچک در کل طیف سیاره در حین دور ستاره خود دارد.

برای مطالعه جدید، تیم WASP-121b را در طول دو مدار کامل مشاهده کرد: یکی در سال 2018 و دیگری در سال 2019. برای هر دو مشاهدات، محققان از طریق داده‌های نوری به دنبال یک خط خاص یا ویژگی طیفی بودند که نشان دهنده حضور بخار آب بود.ا

مایکل ایوانز می‌گوید: «ما این آب‌نما را دیدیم و نحوه تغییر آن در نقاط مختلف مدار سیاره را ترسیم کردیم. این اطلاعات در مورد عملکرد دمای جو سیاره به عنوان تابعی از ارتفاع، رمزگذاری می‌کند.

تغییر ویژگی آب به تیم کمک کرد تا مشخصات دمایی در روز و شب را ترسیم کند. آنها دریافتند که دامنه روز از 2500 کلوین در عمیق‌ترین لایه قابل مشاهده تا 3500 کلوین در بالاترین لایه آن متغیر است. سمت شب از 1800 کلوین در عمیق‌ترین لایه تا 1500 کلوین در جو فوقانی آن متغیر بود. جالب توجه است، به نظر می‌رسد که پروفایل‌های دما تغییر می‌کنند و با ارتفاع در روز افزایش می‌یابند – از نظر هواشناسی یک «وارونگی حرارتی» – و با ارتفاع در سمت شب کاهش می‌یابد.

سپس محققان نقشه‌های دما را از طریق مدل‌های مختلف برای شناسایی مواد شیمیایی عبور دادند که احتمالاً در جو سیاره با توجه به ارتفاعات و دماهای خاص وجود دارند. این مدل‌سازی پتانسیل ابرهای فلزی مانند آهن، کوراندوم و تیتانیوم را در سمت شب نشان داد.

از نقشه‌برداری دمایی آنها، این تیم همچنین مشاهده کردند که داغ‌ترین منطقه سیاره به سمت شرق منطقه «زیر‌ستاره‌ای» مستقیماً زیر ستاره منتقل شده است. آنها نتیجه گرفتند که این تغییر به دلیل بادهای شدید است.

مایکل ایوانز توضیح می‌دهد: «گاز در نقطه زیر ستاره‌ای گرم می‌شود، اما قبل از اینکه بتواند دوباره به فضا تابش کند، به سمت شرق منفجر می‌شود. با توجه به اندازه شیفت، تیم تخمین می‌زند که سرعت باد در حدود 5 کیلومتر در ثانیه است.

دایلان که کار قبلی روی این سیاره را با استفاده از ماموریت تس به رهبری MIT ناسا رهبری می‌کرد، می‌گوید: «این بادها بسیار سریع‌تر از جریان جت ما هستند و احتمالاً می‌توانند ابرها را در حدود 20 ساعت در سراسر سیاره جابجا کنند.

اخترشناسان برای رصد WASP-121b در اواخر سال جاری زمانی را در تلسکوپ فضایی جیمز وب رزرو کرده‌اند و امیدوارند که بتوانند تغییرات نه تنها در بخار آب، بلکه همچنین مونوکسید کربن را ترسیم کنند که دانشمندان گمان می‌کنند در اتمسفر وجود داشته باشد.

مایکل ایوانز می‌گوید: «این اولین باری است که می‌توانیم یک مولکول حاوی کربن را در جو این سیاره اندازه‌گیری کنیم. “میزان کربن و اکسیژن موجود در جو سرنخ هایی را در مورد محل تشکیل این نوع سیاره‌ها ارائه می‌دهد.”

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

A “hot Jupiter’s” dark side is revealed in detail for first time

by Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology FEBRUARY 21, 2022

https://phys.org/news/2022-02-hot-jupiter-dark-side-revealed.html