Der Planet WASP-121B ist extrem. Es ist ein fast doppelt so großer Gasriese wie Jupiter, der extrem nahe an seinem Stern umkreist – 50 -mal näher als die Erde um die Sonne. Wasp-121b ist so nah an seinem Stern, dass die Gezeitenkräfte seine Rotation in einer „Resonanz“ eingesperrt haben: Der Planet zeigt immer das gleiche Gesicht für seinen Stern, wie den Mond der Erde. Daher backt eine Seite von WASP-121b ständig Licht, während die andere in ewiger Nacht ist. Dieser Unterschied führt zu enormen Temperaturschwankungen auf dem Planeten. Es kann mehr als 3.000 ° C auf der einen Seite betragen und auf der anderen Seite 1.500 ° C fallen.
Dieser riesige Temperaturkontrast ist die Quelle für gewalttätige Winde und bläst mehrere Kilometer pro Sekunde, die versuchen, die Energie von Tag zu Nacht neu zu verteilen. Bisher mussten wir die Stärke und Richtung der Winde mit indirekten Messungen erraten, wie z. B. Messungen der Temperatur des Planeten. In den letzten Jahren konnten wir mit der Ankunft neuer Instrumente auf riesigen Teleskopen die Windgeschwindigkeit bestimmter Exoplaneten, einschließlich Wasp-121b, direkt messen.
In Unsere im Journal veröffentlichte Studie Natur Das wurde von meinem Kollegen Julia Seidel durchgeführt. Wir haben nicht nur die Windgeschwindigkeit eines Exoplanets untersucht, sondern auch, wie diese Winde mit der Höhe variieren. Wir konnten zum ersten Mal messen, dass sich der Winde in den tiefsten Schichten der Atmosphäre stark von denen in höheren Höhen unterscheiden. Setzen Sie es so aus: Auf Erden machen Winde ein paar Dutzend Kilometer pro Stunde bereits schwer, Fahrrad zu fahren; Bei Wasp-121b wäre das Pedaling unmöglich, da die Winde hundertmal schneller sind.
Unsere Messungen zeigen das Verhalten einer zentralen Zone der Atmosphäre, die den Zusammenhang zwischen der tiefen Atmosphäre bildet – normalerweise von Teleskopen wie dem James Webb -Weltraumteleskop – und den äußeren Zonen, in denen die Atmosphäre in den Weltraum entkommt, der vom Wind aus seinem Stern kommt.
Wie haben wir die Atmosphäre eines Planeten Millionen Milliarden Kilometer entfernt gemessen?
Um unsere Messungen vorzunehmen, haben wir eines der präzissten Spektrographen der Erde verwendet, das auf dem größten Teleskop montiert ist, das uns zur Verfügung steht: Espresso am Europäischer Süd -Observatorium (ESO) sehr großes Teleskop (VLT), befindet sich in der Atacama -Wüste in Chile. Um so viel Licht wie möglich zu sammeln, kombinierten wir das Licht aus den vier Teleskopen mit vier Meter-Durchmesser des VLT. Dank dieser Kombination, die noch getestet wird, haben wir so viel Licht gesammelt wie ein Teleskop mit einem Durchmesser von 16 Meter, das größer wäre als jedes optische Teleskop auf der Erde.
Das ultra-präzisige Espressomonstrographen ermöglichte es uns dann, das Licht vom Planeten in 1,3 Millionen Wellenlängen zu trennen. Dies ermöglicht es uns, so viele Farben im sichtbaren Spektrum zu beobachten. Diese Präzision ist erforderlich, um verschiedene Arten von Atomen in der Atmosphäre des Planeten zu erkennen. Dieses Mal untersuchten wir, wie drei verschiedene Arten von Atomen – Absorb -Licht aus dem Stern: Wasserstoff, Natrium und Eisen (alle in einem gasförmigen Zustand, angesichts der sehr hohen Temperaturen).
Durch die Messung der Position dieser spektralen Linien konnten wir die Geschwindigkeit dieser Atome direkt messen. Der Doppler -Effekt sagt uns, dass ein Atom, das auf uns kommt, mehr blaues Licht absorbiert, während ein Atom, das sich von uns entfernt, mehr rotes Licht aufnimmt. Durch Messen der Absorptionswellenlänge jedes dieser Atome haben wir so viele verschiedene Messungen der Windgeschwindigkeit auf diesem Planeten.
Wir fanden heraus, dass die Zeilen der verschiedenen Atome verschiedene Geschichten erzählen. Das Eisen bewegt sich bei 5 Kilometern pro Sekunde vom Substellarpunkt (der Region des Planeten, die seinem Wirtstern am nächsten am nächsten) auf sehr symmetrische Weise den anti-stellaren Punkt (das entfernte). Natrium hingegen spaltet sich in zwei Teile: Einige der Atome bewegen sich wie Eisen, während die anderen viermal schneller vom Äquator von Ost nach West mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von 20 Kilometern pro Sekunde bewegen. Schließlich scheint Wasserstoff sich mit dem Ost-West-Natriumstrom zu bewegen, aber auch vertikal, ohne Zweifel, dass es dem Planeten entweichen kann.
Um all dies in Einklang zu bringen, haben wir berechnet, dass diese drei verschiedenen Atome in verschiedenen Teilen der Atmosphäre tatsächlich sind. Während Eisenatome an den tieferen Schichten liegen, in denen symmetrische Kreislauf erwartet wird, lassen Natrium und Wasserstoff uns viel höhere Schichten untersuchen, in denen die Atmosphäre des Planeten vom Wind aus seinem Wirtstern aufgeblasen wird. Dieser Sternwind, kombiniert mit der Drehung des Planeten, trägt wahrscheinlich das materielle asymmetrische, mit einer bevorzugten Richtung durch die Drehung des Planeten.
Warum die Atmosphären von Exoplaneten studieren?
Wasp-121b ist einer dieser riesigen gasförmigen Planeten mit Temperaturen von über 1.000 ° C, die als „heiße Jupiters“ bezeichnet werden. Die erste Beobachtung dieser Planeten von Michel Bürgermeister und Didier Queloz (was ihnen später einen Nobelpreis in Physik erwarb) 1995 überraschend, insbesondere weil planetarische Formationsmodelle vorausgesagt hatten, dass diese riesigen Planeten ihren Stern nicht so nahe bilden konnten. Die Beobachtung von Bürgermeister und Queloz hat uns erkennen, dass Planeten nicht unbedingt dort bilden, wo sie sich derzeit befinden. Stattdessen können sie wandern, dh in ihrer Jugend bewegen.
Wie weit von ihrem Stern entfernt „Hot Jupiter“ Form? In welcher Entfernungen wandern diese Objekte in den Kinderschuhen? Warum wanderte Jupiter in unserem Sonnensystem nicht in Richtung Sonne? (Wir haben Glück, dass es nicht getan hat, weil sie die Erde gleichzeitig in unseren Stern geschickt hätte.)
Einige Antworten auf diese Fragen können in der Atmosphäre von Exoplaneten liegen, die Spuren der Bedingungen ihrer Formation aufweisen. Abweichungen in der Temperatur oder der chemischen Zusammensetzung in jeder Atmosphäre können jedoch die Fülle von Messungen radikal verzerren, die wir mit großen Teleskopen wie dem James Webb durchführen wollen. Um unsere Messungen auszunutzen, müssen wir zunächst verstehen, wie komplex diese Atmosphären sind.
Dazu müssen wir die grundlegenden Mechanismen verstehen, die die Atmosphäre dieser Planeten regeln. Im Sonnensystem können Winde direkt anhand der Ansicht, wie sich die Wolken bewegen. Bei Exoplaneten können wir keine Details direkt sehen.
Insbesondere „Hot Jupiter“ umkreisen so nah an ihren Sternen, dass wir sie nicht räumlich trennen und Fotos von den Exoplaneten machen können. Stattdessen wählen wir von Tausenden bekannter Exoplaneten aus Diejenigen, die den guten Geschmack haben, regelmäßig zwischen ihrem Stern und uns zu bestehen. Während dieses „Transits“ wird Licht aus dem Stern durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert, wodurch wir die Anzeichen einer Absorption durch verschiedene Atome oder Moleküle messen können. Im Allgemeinen sind die Daten, die wir erhalten, nicht gut genug, um das Licht zu trennen, das auf einer Seite des Planeten von der anderen geht, und wir haben einen Durchschnitt dessen, was die Atmosphäre absorbiert hat. Als Bedingungen entlang der atmosphärischen Extremität (dh das Scheiben der Atmosphäre, die einen Planeten umgeben, der aus dem Raum beobachtet wird) kann drastisch variieren. Die Interpretation des endgültigen Durchschnitts ist häufig Kopfschmerzen.
Diesmal konnten wir durch die Verwendung eines Teleskops, das tatsächlich größer als jedes andere optische Teleskop auf der Erde ist, und das Kombinieren mit einem extrem präzisen Spektrographen, das Signal trennen, das von der östlichen Seite des Gliedes des Planeten vom von der Westseite absorbierten Signal absorbiert wurde. Dies ermöglichte es uns, die räumliche Variation der Winde auf dem Planeten zu messen.
Die Zukunft der atmosphärischen Untersuchung von Exoplaneten
Europa baut derzeit die nächste Generation von Teleskopen, angeführt vom extrem großen Teleskop des ESO, das für 2030 geplant ist. Das ELT hat einen Durchmesser von 30 Metern mit einem Spiegel mit einem Spiegel, der doppelt so groß ist wie das Teleskop, das wir durch Kombinieren des Lichts aus den vier 8-Meter-Teleskopen der VLT erhalten haben.
Dieses riesige Teleskop sammelt noch genauere Details über die Atmosphären von Exoplaneten. Insbesondere messen die Winde in Exoplaneten, die kleiner und kälter als „heiße Jupiter“.
Aber worauf wir alle wirklich warten, ist die Fähigkeit des ELT, das Vorhandensein von Molekülen in der Atmosphäre von felsigen Planeten zu messen, die in der bewohnbaren Zone ihres Sterns umkreisen, wo Wasser in einem flüssigen Zustand vorhanden sein kann.
Dieser Artikel wird neu veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons -Lizenz. Lesen Sie die Originalartikel.