Amerikaanse en Europese wetenschappelijke onderzoeksteams gebruikten de James Webb Space Telescope (JWST) om significante verschillen te ontdekken in de atmosferische eigenschappen van de "zonsopgangzijde" en "zonsondergangzijde" van een ultrahete Jupiter-achtige exoplaneet, WASP-121 b. Dit is een van de duidelijkste bewijzen tot nu toe, die erop wijzen dat de omgeving in de dag-nachtgrenszone van de planeet (eindlijngebied) op verschillende lengtegraden dramatisch zal veranderen. De relevante resultaten werden geleid door het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland, en gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.

Het onderzoeksteam, onder leiding van MPIA-promovendus Cyril Gapp, voerde een gedetailleerde analyse uit van de temperatuurstructuur en chemische samenstelling van de atmosfeer van WASP-121 b met behulp van infraroodspectra verkregen door JWST tijdens de transit van de planeet. Wanneer een planeet zijn moederster vóór onze gezichtslijn passeert, zal een deel van het licht van de ster door de atmosfeer van de planeet gaan en vervolgens de telescoop bereiken. De absorptieveranderingen bij verschillende golflengten in het spectrum registreren informatie over de gassamenstelling en temperatuur in de atmosfeer. Het team ontdekte dat er een duidelijke asymmetrie bestaat in de absorptie van infrarood licht door de atmosfeer van de planeet aan het begin en het einde van de transit. Deze onevenwichtigheid wijst op het enorme verschil in atmosferische omstandigheden aan beide zijden van de ‘ochtend’- en ‘avond’-eindlijnen van de planeet.

Uit gegevensanalyse blijkt dat de zonsondergangzijde van de planeet (avondterminator) aanzienlijk meer stellair licht absorbeert dan de zonsopgangzijde, wat in hoge mate consistent is met het grootschalige hogesnelheidswindpatroon op grote hoogte dat door de theorie wordt voorspeld. Bestaande modellen zijn van mening dat op zulke superhete gasreuzenplaneten de hete dagzijde warmte naar de koelere nachtzijde transporteert, en dat het dominante windsysteem naar het oosten stroomt terwijl de planeet draait, waardoor de atmosfeer aan de avondzijde intenser wordt verwarmd. Stijgende temperaturen zorgen ervoor dat de atmosfeer in dit gebied uitzet, waardoor de optisch equivalente "planetaire straal" iets groter wordt en daardoor meer straling van de moederster wordt geabsorbeerd.

Waarnemingen met de JWST Near Infrared Spectrometer (NIRSpec) laten ook zien dat het koolmonoxide (CO)-absorptiesignaal toeneemt tijdens de tweede helft van de transit, terwijl de algehele helderheid van het systeem enigszins afneemt. De onderzoekers merkten op dat deze verbetering van het CO-signaal voornamelijk structurele veranderingen in de temperatuur weerspiegelt en niet zozeer een toename van de hoeveelheid koolmonoxide op zich. Watermoleculen (H₂O) vertonen daarentegen echte tekenen van achteruitgang: de temperatuur stijgt hoog genoeg om watermoleculen in de hogere atmosfeer te breken, waardoor ze in lichtere atomen of groepen worden gesplitst, wat verder bewijs levert dat sterke wind de finishlijn in de avond verhit.

WASP-121 b is een extreem ‘hete Jupiter’-planeet. Zijn baan en rotatie zijn vergrendeld door getijdenkrachten, en zijn rotatie- en omwentelingsperiode zijn gesynchroniseerd, beide ongeveer 30 uur. Daarom is dezelfde kant altijd naar de moederster gericht en vormen ze twee hemisferen van eeuwige dag en eeuwige nacht. Eerdere studies hebben aangetoond dat de gemiddelde temperatuur aan de dagzijde van de planeet ongeveer 2770 Kelvin bedraagt ​​en aan de nachtzijde ongeveer 1000 Kelvin. Omgerekend naar Celsius is de dagzijde bijna 2500 graden Celsius, terwijl de nachtzijde ongeveer 725 graden Celsius is. Omdat de planeet zich tijdens de transit heel dicht bij de ster bevindt, met een diameter van slechts ongeveer 1,9 sterren, zal de planeet zelf ongeveer 30 graden draaien van het binnenkomen naar het verlaten van de sterschijf, waardoor de telescoop de atmosferische gebieden op verschillende lengtegraden in één transit kan 'vegen'.

In termen van observatiegeometrie ziet de eerste helft van de transit voornamelijk de nachtzijde en een deel van de dagzijde "ochtendboog" dichtbij de ochtendzijde, terwijl de tweede helft van de transit naar de nachtzijde draait en de "schemerboog" aan de avondzijde. Astronomen gebruiken spectrometers om het licht dat ze ontvangen op te splitsen in verschillende golflengten. Net zoals een prisma wit licht in een regenboog splitst, laten verschillende gassen absorptiekenmerken achter in specifieke golflengtebanden, waardoor de chemische samenstelling van de atmosfeer zichtbaar wordt. De sleutel tot dit onderzoek is dat het team niet simpelweg het gemiddelde van de volledige transitgegevens heeft berekend, zoals in de traditionele praktijk, maar het spectrale signaal in de loop van de tijd heeft laten veranderen en vervolgens de atmosferische verschillen met de lengtegraad heeft hersteld door middel van statistische analyse.

Cyril Gapp en collega's wezen erop dat de planeet op WASP-121 b ongeveer 30 graden draait tijdens de volledige transit, wat voldoende is om de twee eindlijnen van de "ochtendlijn" en de "schemeringlijn" in de gegevens duidelijk te onderscheiden. Toen ze de in de tijd opgeloste spectrale signalen projecteerden in de lengtegraaddimensie, ontdekten ze dat het model dat lengteasymmetrie introduceerde aanzienlijk beter was dan het traditionele model dat het gemiddelde over de gehele transit berekende. De statistische resultaten ondersteunden krachtig de conclusie dat "de sfeer aan beide kanten van de ochtend en de avond inderdaad verschillend is."

Om te testen of het temperatuurverschil voldoende was om de waargenomen asymmetrie te verklaren, gebruikte het team een ​​driedimensionaal algemeen circulatiemodel om warmtetransportprocessen in de bovenste atmosfeer van de gasreus te simuleren. De modellen reproduceren de asymmetrische absorptiesignatuur die wordt veroorzaakt door de temperatuurgradiënt in algemene trends, maar de intensiteit van het gesimuleerde signaal is nog steeds lager dan de werkelijke waarnemingen, wat duidt op het mogelijke bestaan ​​van extra koelmechanismen aan de ochtendzijde van de planeet. Een mogelijke verklaring die door de onderzoekers wordt voorgesteld is "minerale wolken": eerdere studies hebben aangenomen dat er mogelijk wolken zijn die zijn samengesteld uit mineralen zoals silicaten op WASP-121 b. Het zijn geen waterdruppelwolken, maar wolken van minerale deeltjes die gevormd zijn bij hoge temperaturen.

Dergelijke minerale wolken blokkeren de infraroodstraling van diepere, hetere lagen van de atmosfeer, waardoor de bovenste atmosfeer koeler lijkt dan deze in werkelijkheid is. Onder invloed van hoge snelheidswinden, ernstige temperatuurverschillen en aanhoudende sterke straling zijn de vormings-, condensatie-, verdampings- en transportprocessen van wolkendeeltjes echter uiterst complex. Momenteel kunnen de meeste atmosferische numerieke modellen deze microfysische details niet volledig integreren. In deze studie hebben de onderzoekers het model aangepast en op een vereenvoudigde manier het afschermende effect van wolken op infraroodstraling toegevoegd. De overeenkomst tussen de simulatieresultaten en JWST-waarnemingen was aanzienlijk verbeterd. Ze benadrukten echter ook dat er nog steeds geavanceerdere modellen en meer observaties nodig zijn om eindelijk het bestaan ​​van minerale wolken op WASP-121 b te bevestigen.

Dit werk onthult niet alleen lengteverschillen in de eigen atmosfeer van WASP-121 b, maar demonstreert ook een nieuwe manier om de structuur van extreme exoplaneetatmosferen te onderzoeken. Naarmate de modellen voor atmosferische circulatie en stralingsoverdracht verder worden verbeterd, wordt van onderzoekers verwacht dat ze dezelfde "roterende transit" -technologie zullen gebruiken om vergelijkbare meridionale atmosferische profielen te tekenen op meer superhete gasreuzenplaneten. Het onderzoeksteam heeft een groep doelplaneten geselecteerd die geschikt zijn voor vergelijkbare waarnemingen wat betreft temperatuurbereik, rotatie en omwentelingsperiode. In de toekomst zal naar verwachting door middel van systematische vergelijking een antwoord worden gevonden op de vraag of er een gemeenschappelijk patroon bestaat in de lengterichting van deze extreme planeten, en hoe verschillende fysieke omstandigheden hun atmosferische omgeving vormgeven.

Volgens het artikel zijn de JWST-observatiegegevens die in dit onderzoek zijn gebruikt afkomstig van meerdere projecten, waaronder het reguliere observatieproject GO #1729 ("NIRSpec fasecurve van de ultra-hete planeet WASP-121b"), geleid door Thomas Evans-Soma, en het gereserveerde observatieproject GTO #1201 ("NIRISS-onderzoek naar de atmosferische diversiteit van transiterende exoplaneten"), geleid door David Lafreniere. Het NIRSpec-instrument is in opdracht van de European Space Agency (ESA) ontwikkeld door de Europese industrie. Airbus Defense and Space in Ottobrunn, Duitsland, is de hoofdaannemer. MPIA nam deel aan de ontwikkeling van belangrijke componenten zoals filterwielen en roosterwielen. De detector en het micro-aperture array-systeem werden geleverd door NASA's Goddard Space Flight Center.

De James Webb-ruimtetelescoop is momenteel een van de belangrijkste astronomische observatiefaciliteiten ter wereld. Het wordt gezamenlijk beheerd door de National Space Administration (NASA), de European Space Agency (ESA) en de Canadian Space Agency (CSA). Het is gewijd aan baanbrekend wetenschappelijk onderzoek op vele gebieden, van de atmosfeer van exoplaneten tot de vroege sterrenstelsels van het universum. Het vastleggen van deze subtiele verschillen op de ‘scheidslijn tussen dag en nacht’ van extreme werelden zoals WASP-121 b helpt wetenschappers hun begrip van het planetaire klimaat en de atmosferische dynamiek uit te breiden, en biedt ook nieuwe hulpmiddelen voor het vinden en beoordelen van de omgevingsomstandigheden van verder weg gelegen werelden in de toekomst.