Mapas web meteorológicos en el exoplaneta WASP-43b

WASP-43 b está nublado por la noche y despejado durante el día, con vientos tropicales arremolinándose alrededor del planeta a 5.000 millas por hora.

a veces No Encontrar algo es tan emocionante y gratificante como encontrarlo. tomar caliente Júpiter WASP-43B, por ejemplo. Este mundo bloqueado por las mareas tiene un lado diurno perpetuamente muy caluroso y un lado nocturno algo más fresco. Los astrónomos que utilizan Webb para mapear la temperatura y analizar la atmósfera alrededor del planeta esperan detectar metano, una molécula de carbono común, en el lado nocturno. Pero claramente no hay señales de ello. ¿Por qué? El resultado sugiere que vientos supersónicos de gas caliente soplan desde el lado diurno, cambiando completamente la atmósfera e impidiendo reacciones químicas que producirían metano en el lado nocturno.

Esta curva de luz muestra el cambio en el brillo del sistema WASP-43 a lo largo del tiempo a medida que el planeta orbita la estrella. Este tipo de curva de luz se conoce como curva de fase porque incluye toda la órbita o todas las fases del planeta.
Debido a que está bloqueado por mareas, diferentes lados de WASP-43 b giran a medida que gira. El sistema parece más brillante cuando el lado cálido del día mira al telescopio, justo antes y después de un eclipse secundario cuando el planeta pasa detrás de la estrella. El sistema se vuelve más débil a medida que el planeta continúa sus órbitas y su lado nocturno orbita el horizonte. Después del tránsito, cuando el planeta pasa frente a la estrella, bloqueando parte de la luz estelar, el sistema se ilumina nuevamente a medida que el lado diurno vuelve a aparecer a la vista.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universidad de Leicester)

El Telescopio Espacial Webb mapea el clima en un planeta a 280 años luz de distancia

Ha sido utilizado con éxito por un equipo internacional de investigadores. NASA's Telescopio espacial James Webb Para mapear el clima en el exoplaneta gigante de gas caliente WASP-43 b.

Las mediciones precisas de brillo a gran escala de la luz del infrarrojo medio, combinadas con modelos climáticos tridimensionales y observaciones previas de otros telescopios, indican nubes altas y espesas que cubren el lado nocturno, cielos despejados en el lado diurno y vientos tropicales de más de 5.000 grados. millas de altura. por hora mezcla de gases atmosféricos alrededor del planeta.

La investigación es sólo la última evidencia. exoplaneta La ciencia ahora es posible gracias a la extraordinaria capacidad de Webb para medir los cambios de temperatura y detectar gases atmosféricos a billones de kilómetros de distancia.

El «Júpiter caliente» está bloqueado por las mareas

WASP-43 b es un tipo de exoplaneta «Júpiter caliente»: similar en tamaño a Júpiter, compuesto principalmente de hidrógeno y helio, y mucho más caliente que cualquiera de los planetas gigantes de nuestro sistema solar. Aunque su estrella es más pequeña y más fría que el Sol, WASP-43 b orbita a una distancia de sólo 1,3 millones de millas, menos de 1/25 de la distancia entre Mercurio y el Sol.

Con una órbita tan estrecha, el planeta está bloqueado por mareas, con un lado constantemente iluminado y el otro en perpetua oscuridad. Aunque el lado nocturno nunca recibe radiación directa de la estrella, los fuertes vientos del este transportan calor desde el lado diurno.

Desde su descubrimiento en 2011, WASP-43 b ha sido observado utilizando varios telescopios, incluido el Telescopio Hubble de la NASA y los ahora retirados Telescopios Espaciales Spitzer.

«Con el Hubble, podemos ver claramente que hay vapor de agua en el lado diurno. Tanto el Hubble como el Spitzer han demostrado que puede haber nubes en el lado nocturno», explicó Taylor Bell, investigador del Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía y autor principal de. un estudio publicado el 30 de abril en astronomía de la naturaleza. «Pero necesitábamos mediciones más precisas de Webb para comenzar a mapear más detalladamente la temperatura, la cobertura de nubes, los vientos y la composición atmosférica en todo el planeta».

Este diagrama simplificado de la curva de fase del exoplaneta muestra el cambio en el brillo general del sistema estrella-planeta a medida que el planeta orbita la estrella. El sistema parece más brillante cuando la parte iluminada del planeta mira hacia el telescopio (fase completa). Parece tenue cuando la mayor parte del lado oscuro mira hacia el telescopio (nueva fase), cuando el planeta bloquea parte de la luz de la estrella (tránsito) y cuando la estrella bloquea la luz del planeta (eclipse secundario).
(Arriba) Un diagrama que muestra el cambio en la fase del planeta (la cantidad de lado iluminado que mira al telescopio) mientras orbita su estrella.
(Abajo) Un gráfico tridimensional que muestra el cambio en el brillo general del sistema estelar y del planeta a medida que el planeta orbita su estrella. En este gráfico, conocido como curva de luz, el plano horizontal es la posición orbital y el eje vertical es el brillo.
(Derecha) Barra de escala. Tanto en el diagrama orbital como en la curva de luz, el color indica el brillo observado de la estrella + planeta: desde violeta oscuro (se detecta menos luz) hasta blanco (se detecta más luz).
Los investigadores utilizan curvas de fase para estudiar los cambios en la reflectancia y la temperatura del planeta con la longitud (de lado a lado), lo que puede proporcionar información sobre la composición de la superficie y las condiciones atmosféricas del planeta.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Danny Player (STScI), Andy James (STScI), Greg Bacon (STScI)

Mapeo de temperatura e inferencia climática.

Aunque WASP-43 b es demasiado pequeño, tenue y cercano a su estrella para que un telescopio pueda verlo directamente, su corto período orbital de sólo 19,5 horas lo hace ideal para la espectroscopia de curva de fase, una técnica que implica medir pequeños cambios en el brillo de una estrella. Sistema de estrellas y planetas A medida que el planeta orbita la estrella.

Dado que la cantidad de luz infrarroja media emitida por un objeto depende en gran medida de su calor, los datos de brillo capturados por Webb pueden usarse para calcular la temperatura del planeta.

El equipo utilizó el instrumento MIRI (instrumento de infrarrojo medio) de Webb para medir la luz del sistema WASP-43 cada 10 segundos durante más de 24 horas. «Al observar una órbita completa, pudimos calcular la temperatura de los diferentes lados del planeta mientras orbitaban alrededor del horizonte», explicó Bell. «A partir de ahí, podemos construir un mapa aproximado de la temperatura en todo el planeta».

Las mediciones muestran que la temperatura media durante el día es de unos 2.300 grados. F (1.250 grados Celsius) – lo suficientemente caliente como para formar hierro. Mientras tanto, el lado nocturno es notablemente más fresco con 1,100°F (600°C). Los datos también ayudan a determinar la ubicación del punto más caliente del planeta (el «punto caliente»), que se desplaza ligeramente hacia el este desde el punto que recibe la mayor radiación estelar, donde la estrella está más alta en el cielo del planeta. Este cambio es causado por vientos supersónicos, que mueven el aire caliente hacia el este.

«El hecho de que podamos mapear la temperatura de esta manera es un testimonio real de la sensibilidad y estabilidad de Webb», dijo el coautor Michael Roman de la Universidad de Leicester en el Reino Unido.

Para interpretar el mapa, el equipo utilizó complejos modelos atmosféricos 3D como los que se utilizan para comprender el tiempo y el clima en la Tierra. El análisis muestra que el lado nocturno puede estar cubierto por una gruesa y alta capa de nubes que impide que parte de la luz infrarroja escape al espacio. Como resultado, el lado nocturno, aunque muy caluroso, parece más oscuro y más frío de lo que sería si no hubiera nubes.

Este conjunto de mapas muestra la temperatura del lado visible del exoplaneta gigante gaseoso WASP-43 b, mientras el planeta orbita su estrella. Las temperaturas se calcularon basándose en más de 8.000 mediciones de brillo de luz infrarroja media de 5 a 12 micrones detectadas desde el sistema estelar y el planeta por MIRI (Instrumento de Infrarrojo Medio) en el Telescopio Espacial James Webb de la NASA. En general, cuanto más caliente está un objeto, más luz infrarroja media emite. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Ralph Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universidad de Leicester)

Pérdida de metano y fuertes vientos

El amplio espectro de luz infrarroja media captado por Webb también permitió medir la cantidad de vapor de agua (H₂O) y metano (CH₄) en todo el planeta. «Webb nos ha dado la oportunidad de saber exactamente qué moléculas vemos y ha impuesto algunas limitaciones a su abundancia», dijo la coautora Joanna Barstow, de la Open University del Reino Unido.

Los espectros muestran signos claros de vapor de agua tanto en el lado nocturno como en el lado diurno del planeta, proporcionando información adicional sobre cuán densas son las nubes y qué tan altas se elevan en la atmósfera.

Sorprendentemente, los datos también muestran una clara diferencia. pérdida Metano en cualquier parte de la atmósfera. Aunque el lado diurno es demasiado caluroso para que exista metano (la mayor parte del carbono debe estar en forma de monóxido de carbono), el metano debería ser estable y detectable en el lado nocturno, más fresco.

«El hecho de que no veamos metano nos dice que WASP-43 b debe tener velocidades de viento de casi 5.000 millas por hora», explicó Barstow. «Si los vientos movieran el gas del lado diurno al nocturno y luego regresaran lo suficientemente rápido, no habría tiempo suficiente para que las reacciones químicas esperadas produjeran cantidades detectables de metano en el lado nocturno».

El equipo cree que debido a esta mezcla impulsada por el viento, la química de la atmósfera es la misma en todo el planeta, lo que no quedó claro en trabajos anteriores con Hubble y Spitzer.

Referencia: “Nubes nocturnas y química de desequilibrio en el caliente Júpiter WASP-43b” por Taylor J. Bell, Nicolas Crozet y Patricio E. Kobelo, Laura Kreidberg y Anjali A.A. Peet y Michael T. Román y Joanna K. Barstow, Jasmina Plisic, Ludmila Carone, Louis-Philippe Collomb, Elsa Ducrot, Mark Hammond, João M. Mendonça, Julien I. Moses, Vivien Parmentier, Kevin B. Stevenson, Lucas Tintorier, Michael Chang, Natalie M. Batalha, Jacob L. Bean, Björn Beneke, Benjamin Charney, Katie L. Chubb, Bryce-Olivier Demaury, Peter Gao, Elspeth K. H. Lee, Mercedes López-Morales, Giuseppe Morello, Emily Rauscher, David K. . Singh, Xianyu Tan, Olivia Vinot, Hannah R. Wakeford, Keshav Agarwal, Eva María Ahrer, Munaza K. Allam, Rubén Bayens, David Parrado, Claudio Cáceres, Arin L. Carter, Sara L. Caswell, Ryan C. Challner, Ian JM Crosfield, Lyn Desain, Jean-Michel Desert, Ian Dobbs-Dixon, Akren Derrick, Nestor Espinosa, Adina D. Feinstein, Neil B. Gibson, Joseph Harrington, Christian Helling, Renew Hu, Nicholas Iero, Eliza M.-R. Compton, Sarah Kendrew, Thaddeus D. Komacek, Jessica Crick, Pierre-Olivier Lagage, Jeremy Leconte, Monica Lindell, Neil T. Lewis, Joshua D. Lothringer, Isaac Malski, Luigi Mancini, Megan Mansfield, Nathan J. Mayne, Thomas M. Evans Soma, Karan Molaverdkhani, Nikolai K. Nikolov, Mateo C. Nixon, Enrique Paley, Dominique J.M. Petit de la Roche, Carolyn Piollet, Diana Powell, Benjamin V. Rackham, Aarón D. Schneider, María E. Steinrock. Jake Taylor, Louis Wilbanks, Sergey N. Yurchenko, Xi Zhang y Sebastian Ziba, 30 de abril de 2024, astronomía de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

La observación MIRI de WASP-43 b se realizó como parte de los programas Webb Early Release Science, que brindan a los investigadores una amplia gama de datos sólidos y de acceso abierto para estudiar una amplia gama de fenómenos cósmicos.

El Telescopio Espacial James Webb es el observatorio científico espacial más importante del mundo. Webb resuelve los misterios de nuestro sistema solar, mira más allá de los mundos distantes alrededor de otras estrellas y explora las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. WEB es un programa internacional liderado por la NASA con su socio la Agencia Espacial Europea (ESA).Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.