Némelyeknek 880 XNUMX fényévre a FöldtőlEgy extrém gázóriás lassan szétesik az űrben. Ez a WASP-121b, egy ultraforró, Jupiter-szerű exobolygó, amely elveszíti légkörének egy részét, és új gázréteget képez. héliumcsóvák olyan sokáig, hogy körülveszik a pályájának jó részét.
Köszönöm James Webb űrtávcsőEgy nemzetközi tudósokból álló konzorciumnak – európai és spanyol részvétellel – sikerült nyomon követnie ezt a légköri szökést a bolygó szinte teljes pályáján. A megfigyelések első alkalommal tárták fel ilyen részletesen a jelenlétét két különálló héliumcsóvaAz egyik a bolygó előtt halad, a másik pedig követi, dacolva a klasszikus modellekkel, amelyek egyetlen üstökösszerű szerkezet létezését jósolták.
Egy ultraforró Jupiter a csillaga szélén
A WASP-121 b a következő kategóriába tartozik: ultraforró JupiterekA Jupiteréhez hasonló vagy annál nagyobb tömegű gázóriások, amelyek rendkívül közel keringenek a csillagukhoz. Ebben az esetben a bolygó mindössze 30 óra, azaz körülbelül 1,275 nap alatt kerüli meg a csillagát, ami brutális közelségre utal.
Ez a távolság olyan kicsi, hogy alig egyenértékű egy A Föld és a Nap közötti távolság 2,6%-aEnnek eredményeként a bolygó árapályfüggő: mindig ugyanazt az arcát mutatja a csillag felé, ahogyan a Hold is a Föld felé. A nappali féltekén több ezer fokos hőmérséklet uralkodik, a becslések szerint körülbelül 2350 kelvin vagy még inkább a légkör felső rétegeiben.
A bolygó mérete is extrém. A WASP-121b tömege hasonló vagy nagyobb, mint a Jupiteré, de a sugara majdnem akkora, mint a Jupiteré. kétszerese a Naprendszerünk óriásánakEz egy nagyon felfújt légkört eredményez. Ez a gázburok túlnyúlik az úgynevezett Roche-lebenyen, azon a területen, ahol a bolygó gravitációja a csillag vonzásával szemben képes megtartani a gázt.
Ilyen körülmények között a könnyű gázok, különösen hidrogén és héliumNagyon könnyen menekülnek. De a szélsőséges hőség és az árapály erői nemcsak a könnyű elemeket űzik ki: a nehezebb anyagokat is magukkal rántják, beleértve a alkálifémek és olyan anyagok, mint a szilícium-monoxid, gyökeresen megváltoztatva a légkör szerkezetét.
Rekordot döntő teljesítmény a James Webb-bel
A héliumcsóvák felfedezése azon alapul, hogy elhúzódó megfigyelési kampány -vel a James Webb űrtávcső (JWST)A teleszkóp közel 37 egymást követő órán át rögzítette a gazdacsillag spektrumának változásait, amelyek a bolygó légkörében lévő hélium abszorpciója miatt következtek be, ez az időszak a WASP-121 b több mint egy teljes keringését fedi le.
A kulcs a nagy érzékenységű infravörös műszerek használata volt, többek között NIRISSA Kanadai Űrügynökség, az ESA és a NASA együttműködésével fejlesztette ki ezt a spektrográfot, amely lehetővé teszi a ... aláírásának detektálását. Hélium metastabil állapotban, egyfajta kémiai ujjlenyomat, amely nagyon hasznos az űrbe szökő gáz nyomon követésére.
Eddig az exobolygók légköri szivárgásával foglalkozó tanulmányok többsége rövid időablakokra korlátozódott, általában amikor a bolygó áthaladt a csillaga korongja előtt. Ebben az esetben azonban lehetséges volt nyomon követni a légköri szökés a pálya körülbelül 60%-ánmind a tranzit alatt, mind azon kívül.
Ez a folyamatos megközelítés lehetővé tette a sokkal részletesebb rekonstrukciót gázáramlások háromdimenziós geometriája A bolygó körül kering. Az adatok azt mutatják, hogy a hélium körülveszi a WASP-121 ba galaxist pályafutásának nagy részén, ami sokkal összetettebb szerkezetet eredményez, mint egy egyszerű, a csillagszéllel párhuzamosan futó csóva.
Két héliumcsóva: egy elöl és egy hátul
A megfigyelések elemzése kimutatta, hogy a WASP-121 b kilépő légköre a következőképpen szerveződik: két különálló héliumcsóvaAz első, az úgynevezett vezető áramlat, a bolygó keringési mozgása előtt helyezkedik el. A második, az úgynevezett követő áramlat, mögötte húzódik, és fokozatosan szétszóródik.
La elülső farok Úgy tűnik, erősen befolyásolja a csillag gravitációja. A bolygót elhagyó hélium egy része szó szerint befelé „húzódik”, a gravitációs egyensúlyi zóna, az úgynevezett Lagrange-pont L4Egyes modellek azt sugallják, hogy akár meg is kezdődhet ennek a gáznak akkréciós folyamata a csillag felé.
A maga részéről a farok A bolygót a sugárzási nyomás és a csillagszél uralja. A nappali féltekéről és a bolygó terminátorából kilépő anyag visszaszorul, egy kiterjedt csóvát képezve, amely fokozatosan elhalványul a csillagközi közegben.
Az adatok azt mutatják, hogy ezek a sorok óriási távolságokra terjednek ki, nagyságrendileg több mint 100-szorosa a bolygó sugaránakOlyan hosszúságokról beszélünk, amelyek elérik a körülbelül 107 bolygósugarat, ami egy csillagászati egység tizedének felel meg, azaz körülbelül a Föld és a Nap közötti átlagos távolság 0,1-szereseVizuális szempontból, ha közelről megfigyelhetnénk a rendszert, látnánk, hogy a bolygót egy gázszerkezet veszi körül, amely pályájának jó részét lefedi.
Ez a kettős konfiguráció váratlanul érte a tudományos közösséget. klasszikus hidrodinamikai modellek A légköri szökési mintázatok jellemzően egyetlen, a csillagszéllel igazodó csóvát jósolnak, hasonlóan a üstökös csóvájaA WASP-121 b esetében azonban sokkal összetettebb eloszlás figyelhető meg, ami szükségessé teszi a szimulációk felülvizsgálatát és a következők kombinált kölcsönhatásának figyelembevételét: sugárzás, szelek, gravitációs árapályok és forgás.
Hidrodinamikai folyamatok és extrém légköri szivárgás
A jelenség középpontjában az áll, amit a szakértők ún. hidrodinamikus kipufogógázA kisebb gázveszteségekkel ellentétben itt a légkör felső rétegeinek extrém felmelegedése hatalmas áramlást generál, amely mind a könnyű gázokat, mind a nehezebb vegyületeket magával viszi.
A csillag hatalmas sugárzása addig melegíti a bolygó termoszféráját, amíg az kolosszális mértékben fel nem duzzad. túlméretezett termoszféra Ez túlnyúlik a Roche-lebenyen, ahol a bolygó gravitációja megszűnik domináns lenni. Innen a gáz kifelé kezd áramlani, mintha folyamatos bolygószél lenne.
A sugárzás mellett a árapály-erők Kulcsfontosságú szerepet játszanak. A WASP-121b szűk pályája intenzív gravitációs kölcsönhatást eredményez a csillaggal, ami eltorzítja a bolygót és elősegíti a gáz kijutását a gyengébb gravitációs potenciálú régiókon keresztül. A hő és az árapályerők ezen kombinációja különösen hatékonnyá teszi a légköri szivárgást.
Korábbi megfigyelések már kimutatták, hogy a WASP-121 b légköre minden, csak nem nyugodt. A jelenség jeleit észlelték. sztratoszféra, kalcium-titanát felhők, elpárologtatott fémek és olyan folyamatokat is, amelyek egzotikus anyagok „esőihez” vezethetnek. Most, hogy a héliumcsóvák jól láthatóak, megerősítést nyert, hogy a bolygó gázburok jelentős részét elveszíti az űrbe.
Az eredmények azt mutatják, hogy a szivárgás továbbra is fennáll idővel tartósnemcsak meghatározott időközönként. Ez arra utal, hogy millió vagy milliárd éves skálán egy olyan bolygó, mint a WASP-121 b, radikálisan megváltozhat, csökkentheti látszólagos méretét, és egy más természetű objektummá alakulhat, mint a ma megfigyelt gázóriás.
Tanulságok az exobolygók evolúciójáról
A WASP-121 b esete vált természetes laboratórium hogy tanulmányozzák, hogyan fejlődnek az óriásbolygók extrém körülmények között. A légkör folyamatos csökkenése felveti annak a lehetőségét, hogy idővel egyes ultraforró Jupiterek végül kisebb világokká válnak, hasonlóan a Neptunuszhoz vagy akár... csupasz kőzetmagok.
Ez a fajta folyamat segíthet megmagyarázni bizonyos statisztikai mintázatokat, amelyeket a csillagászok az exobolygók populációjában megfigyelnek. Az egyik legtöbbet vitatott példa az ún. „Forró Neptunuszok sivataga”, a tömeg- és sugárdiagramok azon régiója, ahol a közepes méretű bolygók ritkán találhatók meg csillaguk közelében.
Az egyik hipotézis szerint ezek közül a köztes világok közül sok elvesztette légkörének nagy részét a következők miatt: intenzív hidrodinamikai kipufogógázKisebb, sűrűbb testekké alakulnak át, amelyeket nehéz kimutatni, vagy más kategóriákba sorolni. A WASP-121 b adatai kulcsfontosságúak e bolygófejlődési modellek finomításához.
Az új megfigyelések azt is kiemelik, hogy a légköri szökés nem egyszerű, egyirányú áramlás. Egyenes vonalban távolodó gáz „sugár” helyett egy bonyolult háromdimenziós szerkezetahol a pálya geometriája, a bolygó forgása, a rendszer dőlése és a csillag aktivitása együttesen alakítják a csóvákat.
Ez arra kényszeríti az elméleti szakembereket, hogy újragondolják szimulációs eszközeiket. A kétdimenziós vagy túlságosan leegyszerűsített modellek nem képesek reprodukálni a WASP-121 b-ben megfigyelt kettős konfigurációt. Mostantól kifinomultabb modellekre van szükség. kifinomultabb 3D szimulációk, amely képes rögzíteni a csillagszél dinamikáját, a gravitációs kölcsönhatásokat és a bolygó légkörének egészének válaszát.
James Webb szerepe és az európai együttműködés
A WASP-121 b-vel elért eredmények a benne rejlő lehetőségeket is bizonyítják. James Webb Űrtávcső az exobolygók légkörének tanulmányozására. A 2021-ben felbocsátott és a NASA, az ESA és a Kanadai Űrügynökség által üzemeltetett Webb űrszonda a nagyon távoli objektumok és az infravörös tartományban található héliumcsóvákhoz hasonló finom jelenségek megfigyelésének mércéjévé vált.
Ebben az esetben olyan eszközök használata, mint pl. NIRISS és más infravörös spektrográfok Ez lehetővé tette a tudósok számára, hogy lebontsák a rendszerből érkező fényt, és izolálják a szökő hélium jeleit. A teleszkóp stabilitása és nagy érzékenysége kulcsfontosságú volt a több tíz órán át tartó folyamatos megfigyelések fenntartásához, amit a Földről nagyon nehéz elérni.
A kutatás egy összehangolt nemzetközi erőfeszítés része, amelyben jelentős európai központok vesznek részt. A kutatáshoz kapcsolódó csapatok Az ESA-nak már több európai országban is vannak kutatóintézetei Együttműködtek a megfigyelési kampányok tervezésében, az adatfeldolgozásban és az elméleti modellek kidolgozásában.
Ezen eredmények közül sokat nagy hatású tudományos folyóiratokban publikáltak, mint például Nature CommunicationsA jelentés részletezi mind a megfigyeléseket, mind azok exobolygók fizikájára gyakorolt következményeit. A közösség reméli, hogy a Webb-teleszkóppal és más kiegészítő teleszkópokkal folytatott jövőbeli kampányok lehetővé teszik számukra, hogy az elkövetkező években is folytassák a WASP-121ba fejlődésének megfigyelését.
Ezen a konkrét eseten túl a megfigyelések sikere új programokat ösztönöz, amelyek célja a következők: más ultraforró Jupiterek, azzal a céllal, hogy ellenőrizzék, vajon a kettős csóvák ritkaságszámba mennek-e ebben a rendszerben, vagy viszonylag gyakori jelenségek a csillagaikhoz nagyon közel keringő óriások között.
A spanyol befolyás a WASP-121 b tanulmányozására
Ezen a nemzetközi keretrendszeren belül a spanyol tudományos közösség is nyomot hagyott. Spanyol központok és egyetemek csillagászai és asztrofizikusai Részt vettek a James Webb spektrális adatainak elemzésében, valamint a WASP-121 b gázáramlását és héliumveszteségét leíró modellek felépítésében.
Spanyolország az utóbbi években egyre nagyobb teret hódít ezen a területen. Európai űrkutatásAz ESA-val, a NASA-val és más ügynökségekkel való együttműködésnek köszönhetően az olyan élvonalbeli projektekben való részvétel, mint a Webb Űrteleszkóp, az exobolygók megfigyelésére irányuló küldetések és a nagy földi létesítmények, megerősíti a bolygólégkörre és az exobolygók fizikájára szakosodott csoportok hálózatát.
Ez a fajta munka nemcsak javítja az ország pozícióját a nemzetközi konzorciumokban, hanem közvetlen hatással van a új kutatógenerációk képzéseA James Webb űrteleszkóp adataival való munka és a vezető folyóiratokban megjelenő cikkek lehetősége fiatal tehetségeket vonz a csillagászathoz és az űrtechnológiákhoz kapcsolódó tudományos pályákra.
A jövőre nézve várható, hogy a spanyol csapatok továbbra is részt vesznek majd a versenyben. extrém exobolygók megfigyelési kampányaiEzt mind a James Webb teleszkóppal, mind a későbbiekben elkészülő távcsövekkel, például az ESO Rendkívül Nagy Teleszkópjával (ELT) megfigyelték. A WASP-121 b csak egy a sok rendszer közül, ahol ezt a jelenlétet észlelték, de minden jel arra mutat, hogy nem ez lesz az utolsó.
Összefoglalva, a WASP-121 b héliumcsóváinak vizsgálata jól példázza, hogyan működik a következő kombináció: világszínvonalú infrastruktúra, nemzetközi együttműködés és tudományos tehetség Lehetővé teszi számunkra, hogy bepillantást nyerjünk olyan jelenségekbe, amelyek egészen a közelmúltig elérhetetlennek tűntek, és hogy Európa és Spanyolország milyen jelentős szerepet játszik az exobolygók felfedezésének ezen új szakaszában.
A WASP-121 b által készített kép egy gázóriást ábrázol, amelyet egy ... állandó büntetés csillaga által, amelynek duzzadt légköre túlcsordul, és két kolosszális héliumcsóvát képez, amelyek pályájának nagy részén végighúzódnak; az európai és spanyol csapatok által támogatott James Webb megfigyelések nemcsak lehetővé teszik számunkra, hogy élőben kövessük nyomon egy bolygó elveszíti gáznemű burkátde segítenek újragondolni, hogyan születnek, változnak és bizonyos esetekben hogyan bomlanak fel a galaxisunkat benépesítő világok.
