Webb enthüllt eine komplexe Atmosphäre des starlosen Superjupiters

Ein internationales Forscherteam hat entdeckt, dass zuvor beobachtete Variationen der Helligkeit eines frei fließenden planetarischen Massenobjekts, das als SIMP 0136 bekannt ist, das Ergebnis einer komplexen Kombination von atmosphärischen Faktoren sein und nicht allein durch Wolken erklärt werden kann.

Unter Verwendung von James Webb Space Telescope von NASA zur Überwachung eines breiten Spektrums an Infrarotlicht, das über zwei vollständige Rotationsperioden von SIMP 0136 emittiert wurde, konnte das Team Variationen in Wolkenschichten, Temperatur und Kohlenstoffchemie erkennen, die zuvor aus der Sicht versteckt waren.

Die Ergebnisse bieten einen entscheidenden Einblick in die dreidimensionale Komplexität von Gasriesenatmosphären innerhalb und außerhalb unseres Sonnensystems. Eine detaillierte Charakterisierung von Objekten wie diese ist eine wesentliche Vorbereitung für die direkte Bildgebung von Exoplaneten, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, wobei die Nancy Grace Römische Weltraumteleskop der NASA im Jahr 2027 geplant ist.

Schnell rotierende, frei fließend

SIMP 0136 ist ein schnell rotierendes, frei schwaches Objekt, das ungefähr 13-mal so hoch ist wie die Masse des Jupiter, die sich nur 20 Lichtjahre von der Erde befindet. Obwohl es nicht als Gasriese-Exoplanet eingestuft wird-es umkreist keinen Stern und kann stattdessen ein brauner Zwerg sein, ist SIMP 0136 ein ideales Ziel für die Exo-Meteorologie: Es ist das hellste Objekt seiner Art am nördlichen Himmel. Da es isoliert ist, kann es beobachtet werden, ohne Angst vor Lichtverschmutzung oder Variabilität, die durch einen Wirtsstern verursacht wird. Und seine kurze Rotationsperiode von nur 2,4 Stunden ermöglicht es, sehr effizient zu untersuchen.

Vor den Webb-Beobachtungen wurde SIMP 0136 ausführlich unter Verwendung bodenbasierter Observatorien und Spitzer-Weltraumteleskope der NASA untersucht.

„Wir wussten bereits, dass es in der Helligkeit unterschiedlich ist, und wir waren zuversichtlich, dass es fleckige Wolkenschichten gibt, die sich in und außerhalb der Sicht drehen und sich im Laufe der Zeit entwickeln“ veröffentlicht In Die astrophysischen Journalbuchstaben. „Wir dachten auch, dass es Temperaturschwankungen, chemische Reaktionen und möglicherweise einige Auswirkungen der auroralen Aktivität geben könnte, die die Helligkeit beeinflussen, aber wir waren uns nicht sicher.“

Um es herauszufinden, brauchte das Team die Fähigkeit von Webb, sehr genaue Änderungen der Helligkeit über einen breiten Bereich von Wellenlängen zu messen.

Tausende von Infrarotregenbogen karten

Mit NIRSPEC (Nahinfrarot-Spektrograph) erfuhr Webb Tausende von individuellen 0,6 bis 5,3-Micron-Spektren-eine alle 1,8 Sekunden über mehr als drei Stunden, als das Objekt eine vollständige Drehung abgeschlossen hat. Dies folgte unmittelbar eine Beobachtung mit MIRI (Mid-Infrared Instrument), die Hunderte von spektroskopischen Messungen von 5 bis 14-Mikron-Licht sammelte-eine alle 19,2 Sekunden, über eine andere Rotation.

Das Ergebnis waren Hunderte von detaillierten Lichtkurven, die jeweils die Änderung der Helligkeit einer sehr präzisen Wellenlänge (Farbe) als verschiedene Seiten des Objekts in Sichtweise zeigten.

„Das gesamte Spektrum dieses Objekts im Laufe der Minuten zu sehen, war unglaublich“, sagte der Ermittler von Principal Johanna Vos vom Trinity College Dublin. „Bisher hatten wir nur ein wenig Scheiben des Nahinfrarot-Spektrums aus Hubble und einige Helligkeitsmessungen von Spitzer.“

Das Team bemerkte fast sofort, dass es mehrere unterschiedliche Lichtkurvenformen gab. Zu jedem Zeitpunkt wurden einige Wellenlängen heller, während andere dumm wurden oder sich überhaupt nicht viel veränderten. Eine Reihe verschiedener Faktoren muss die Helligkeitsschwankungen beeinflussen.

„Stellen Sie sich vor, Sie sehen die Erde von weit weg. Wenn Sie sich jede Farbe getrennt ansehen würden, sehen Sie verschiedene Muster, die Ihnen etwas über ihre Oberfläche und Atmosphäre erzählen, auch wenn Sie die einzelnen Merkmale nicht erkennen konnten“, erklärte Co-Autor Philip Muirhead, ebenfalls von der Universität Boston. „Blau würde zunehmen, wenn sich die Ozeane in Sicht stellen. Veränderungen in Braun und Grün würden Ihnen etwas über Erde und Vegetation erzählen.“

Leckere Wolken, Hotspots und Kohlenstoffchemie

Um herauszufinden, was die Variabilität von SIMP 0136 verursachen könnte, verwendete das Team atmosphärische Modelle, um anzuzeigen, wo in der Atmosphäre jede Wellenlänge des Lichts stammt.

„Unterschiedliche Wellenlängen liefern Informationen zu verschiedenen Tiefen in der Atmosphäre“, erklärte McCarthy. „Wir begannen zu erkennen, dass die Wellenlängen, die die ähnlichsten Lichtkurve-Formen hatten, auch die gleichen Tiefen untersuchten, was diese Idee verstärkte, dass sie durch denselben Mechanismus verursacht werden müssen.“

Eine Gruppe von Wellenlängen zum Beispiel stammt tief in der Atmosphäre, wo es fleckige Wolken aus Eisenpartikeln geben könnte. Eine zweite Gruppe stammt aus höheren Wolken, von denen angenommen wird, dass sie aus winzigen Körnern von Silikatmineralien bestehen. Die Variationen dieser beiden Lichtkurven hängen mit der Fleckigkeit der Wolkenschichten zusammen.

Eine dritte Gruppe von Wellenlängen stammt in sehr hoher Höhe, weit über den Wolken, und scheint die Temperatur zu verfolgen. Helle „Hot Spots“ könnten mit Auroras zusammenhängen, die zuvor bei Funkwellenlängen oder mit der Aufschwung von heißem Gas aus tiefer in der Atmosphäre nachgewiesen wurden.

Einige der Lichtkurven können weder durch Wolken noch durch Temperaturen erklärt werden, sondern zeigen Variationen im Zusammenhang mit atmosphärischer Kohlenstoffchemie. Es können Taschen von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in der Sicht und aus der Sicht oder chemischen Reaktionen geben, die dazu führen, dass sich die Atmosphäre im Laufe der Zeit ändert.

„Wir haben den Chemieteil des Puzzles noch nicht wirklich herausgefunden“, sagte Vos. „Aber diese Ergebnisse sind wirklich aufregend, weil sie uns zeigen, dass sich die Häufigkeit von Molekülen wie Methan und Kohlendioxid von Ort zu Ort und im Laufe der Zeit ändern könnten. Wenn wir uns ein Exoplanet ansehen und nur eine Messung erhalten können, müssen wir berücksichtigen, dass es möglicherweise nicht repräsentativ für den gesamten Planeten ist.“