خرائط ويب الطقس على كوكب خارج المجموعة الشمسية WASP-43 ب

يكون WASP-43 b غائما في الليل وصافيا في النهار، مع رياح استوائية تدور حول الكوكب بسرعة 5000 ميل في الساعة.

أحيانا لا إن العثور على شيء ما أمر مثير ومفيد تمامًا مثل العثور عليه. خذ ساخنا كوكب المشتري WASP-43 ب، على سبيل المثال. يتمتع هذا العالم المقفل مديًا بجانب نهاري شديد الحرارة ودائم وجانب ليلي أكثر برودة إلى حد ما. ويتوقع علماء الفلك الذين يستخدمون ويب لرسم خريطة لدرجة الحرارة وتحليل الغلاف الجوي حول الكوكب اكتشاف غاز الميثان، وهو جزيء كربون شائع، على الجانب الليلي. ولكن من الواضح أنه لا يوجد أي علامة على ذلك. لماذا؟ تشير النتيجة إلى أن رياح الغاز الساخن الأسرع من الصوت تهب من الجانب النهاري، مما يؤدي إلى تقلب الغلاف الجوي تمامًا، ويمنع التفاعلات الكيميائية التي قد تنتج غاز الميثان في الجانب الليلي.

يُظهر منحنى الضوء هذا التغير في سطوع نظام WASP-43 مع مرور الوقت أثناء دوران الكوكب حول النجم. يُعرف هذا النوع من منحنى الضوء بمنحنى الطور لأنه يشمل المدار بأكمله، أو جميع مراحل الكوكب.
نظرًا لأنه مقفل مديًا، فإن جوانب مختلفة من WASP-43 b تدور أثناء دورانه. يظهر النظام أكثر سطوعًا عندما يواجه جانب النهار الحار التلسكوب، قبل وبعد الكسوف الثانوي مباشرة عندما يمر الكوكب خلف النجم. يصبح النظام باهتًا مع استمرار الكوكب في مداراته ويدور الجانب الليلي في الأفق. بعد العبور، عندما يمر الكوكب أمام النجم، ويحجب بعضًا من ضوء النجوم، يضيء النظام مرة أخرى مع دوران الجانب النهاري مرة أخرى إلى الرؤية.
مصدر الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (STScI)، تايلور بيل (BAERI)، جوانا بارستو (الجامعة المفتوحة)، مايكل رومان (جامعة ليستر)

تلسكوب ويب الفضائي يرسم خريطة للطقس على كوكب يبعد 280 سنة ضوئية

وقد استخدمها فريق دولي من الباحثين بنجاح ناسا'س تلسكوب جيمس ويب الفضائي لرسم خريطة للطقس على الكوكب الخارجي العملاق الغازي الساخن WASP-43 b.

تشير قياسات السطوع الدقيقة على نطاق واسع من ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، بالإضافة إلى نماذج مناخية ثلاثية الأبعاد وملاحظات سابقة من التلسكوبات الأخرى، إلى وجود سحب سميكة وعالية تغطي الجانب الليلي، وسماء صافية على الجانب النهاري، ورياح استوائية يزيد ارتفاعها عن 5000 ميل. في الساعة خلط غازات الغلاف الجوي حول الكوكب.

التحقيق هو مجرد أحدث دليل على كوكب خارجي أصبح العلم ممكنًا الآن بفضل قدرة ويب الاستثنائية على قياس التغيرات في درجات الحرارة واكتشاف الغازات الجوية على بعد تريليونات الأميال.

“كوكب المشتري الساخن” مغلق مديًا

WASP-43 b هو نوع من الكواكب الخارجية “المشتري الساخن”: يشبه في الحجم كوكب المشتري، ويتكون بشكل أساسي من الهيدروجين والهيليوم، وهو أكثر سخونة بكثير من أي من الكواكب العملاقة في نظامنا الشمسي. على الرغم من أن نجمه أصغر حجمًا وأكثر برودة من الشمس، إلا أن WASP-43 b يدور على مسافة 1.3 مليون ميل فقط، أي أقل من 1/25 المسافة بين عطارد والشمس.

مع مثل هذا المدار الضيق، يكون الكوكب مغلقًا مديًا، حيث يضيء أحد جانبيه بشكل مستمر والآخر في ظلام دائم. على الرغم من أن الجانب الليلي لا يتلقى أبدًا أي إشعاع مباشر من النجم، إلا أن الرياح الشرقية القوية تنقل الحرارة من الجانب النهاري.

منذ اكتشافه في عام 2011، تمت ملاحظة WASP-43 b باستخدام العديد من التلسكوبات، بما في ذلك تلسكوب هابل التابع لناسا وتلسكوبات سبيتزر الفضائية المتقاعدة الآن.

“باستخدام هابل، يمكننا أن نرى بوضوح وجود بخار ماء على الجانب النهاري. أوضح كل من هابل وسبيتزر أنه قد تكون هناك سحب على الجانب الليلي، كما أوضح تايلور بيل، الباحث من معهد أبحاث البيئة في منطقة الخليج والمؤلف الرئيسي لدراسة نشرت في 30 أبريل في علم الفلك الطبيعة. “لكننا كنا بحاجة إلى قياسات أكثر دقة من ويب للبدء فعليًا في رسم خرائط لدرجة الحرارة والغطاء السحابي والرياح وتكوين الغلاف الجوي الأكثر تفصيلاً على طول الطريق حول الكوكب.”

يوضح هذا الرسم البياني المبسط لمنحنى طور الكوكب الخارجي التغير في السطوع الإجمالي لنظام النجم والكوكب أثناء دوران الكوكب حول النجم. يبدو النظام أكثر سطوعًا عندما يكون الجزء المضاء من الكوكب مواجهًا للتلسكوب (المرحلة الكاملة). يبدو خافتًا عندما يكون الجزء الأكبر من الجانب المظلم مواجهًا للتلسكوب (المرحلة الجديدة)، وعندما يحجب الكوكب بعضًا من ضوء النجوم (العبور)، وعندما يحجب النجم ضوء الكوكب (الكسوف الثانوي).
(أعلى) رسم تخطيطي يوضح التغير في مرحلة الكوكب (مقدار الجانب المضاء الذي يواجه التلسكوب) أثناء دورانه حول نجمه.
(أسفل) رسم بياني ثلاثي الأبعاد يوضح التغير في السطوع الكلي لنظام النجوم والكوكب أثناء دوران الكوكب حول نجمه. في هذا الرسم البياني، المعروف باسم منحنى الضوء، المستوى الأفقي هو الموقع المداري والمحور الرأسي هو السطوع.
(يمين) شريط النطاق. في كل من المخطط المداري ومنحنى الضوء، يشير اللون إلى السطوع المرصود للنجم + الكوكب: من اللون الأرجواني الداكن (يتم اكتشاف كمية أقل من الضوء) إلى الأبيض (يتم اكتشاف المزيد من الضوء).
يستخدم الباحثون منحنيات الطور لدراسة التغيرات في الانعكاس ودرجة حرارة الكوكب مع خط الطول (من جانب إلى آخر)، والتي يمكن أن توفر نظرة ثاقبة لتكوين السطح والظروف الجوية للكوكب.
حقوق الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، داني بلاير (STScI)، آندي جيمس (STScI)، جريج بيكون (STScI)

رسم خرائط لدرجة الحرارة واستنتاج الطقس

على الرغم من أن WASP-43 b صغير جدًا ومعتم وقريب من نجمه بحيث لا يمكن للتلسكوب رؤيته مباشرة، إلا أن فترة مداره القصيرة التي تبلغ 19.5 ساعة فقط تجعله مثاليًا للتحليل الطيفي لمنحنى الطور، وهي تقنية تتضمن قياس التغيرات الصغيرة في سطوع النجم. نظام النجم والكوكب بينما يدور الكوكب حول النجم.

وبما أن كمية ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المنبعثة من جسم ما تعتمد إلى حد كبير على مدى حرارته، فيمكن بعد ذلك استخدام بيانات السطوع التي التقطها ويب لحساب درجة حرارة الكوكب.

استخدم الفريق جهاز Webb's MIRI (أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة) لقياس الضوء الصادر من نظام WASP-43 كل 10 ثوانٍ لأكثر من 24 ساعة. وأوضح بيل: “من خلال مراقبة مدار كامل، تمكنا من حساب درجة حرارة الجوانب المختلفة للكوكب أثناء دورانها في الأفق”. “من ذلك، يمكننا بناء خريطة تقريبية لدرجة الحرارة في جميع أنحاء الكوكب.”

تظهر القياسات أن متوسط ​​درجة الحرارة في الجانب النهاري يبلغ حوالي 2300 درجة فهرنهايت (1,250 درجة درجة مئوية) – ساخن بدرجة كافية لتشكيل الحديد. وفي الوقت نفسه، يكون الجانب الليلي أكثر برودة بشكل ملحوظ عند 1100 درجة فهرنهايت (600 درجة مئوية). تساعد البيانات أيضًا في تحديد موقع النقطة الأكثر سخونة على الكوكب (“النقطة الساخنة”)، والتي تنزاح قليلاً نحو الشرق من النقطة التي تستقبل معظم الإشعاع النجمي، حيث يكون النجم في أعلى مستوى في سماء الكوكب. ويحدث هذا التحول بسبب الرياح الأسرع من الصوت، والتي تحرك الهواء الساخن باتجاه الشرق.

وقال مايكل رومان، المؤلف المشارك من جامعة ليستر في المملكة المتحدة: “إن حقيقة قدرتنا على رسم خريطة لدرجة الحرارة بهذه الطريقة هي شهادة حقيقية على حساسية ويب واستقراره”.

ولتفسير الخريطة، استخدم الفريق نماذج جوية ثلاثية الأبعاد معقدة مثل تلك المستخدمة لفهم الطقس والمناخ على الأرض. ويظهر التحليل أن الجانب الليلي ربما يكون مغطى بطبقة سميكة وعالية من السحب التي تمنع بعض ضوء الأشعة تحت الحمراء من الهروب إلى الفضاء. ونتيجة لذلك، يبدو الجانب الليلي – رغم أنه حار جدًا – أكثر قتامة وبرودة مما كان عليه لو لم تكن هناك غيوم.

تُظهر هذه المجموعة من الخرائط درجة حرارة الجانب المرئي من الكوكب الخارجي العملاق الغازي الساخن WASP-43 b، أثناء دوران الكوكب حول نجمه. تم حساب درجات الحرارة بناءً على أكثر من 8000 قياس سطوع لضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة من 5 إلى 12 ميكرون المكتشف من نظام النجوم والكوكب بواسطة MIRI (أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة) على تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا. بشكل عام، كلما كان الجسم أكثر سخونة، كلما زاد ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الذي يصدره. مصدر الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (STScI)، تايلور بيل (BAERI)، جوانا بارستو (الجامعة المفتوحة)، مايكل رومان (جامعة ليستر)

فقدان الميثان والرياح العاتية

كما أن الطيف الواسع من ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الذي التقطه ويب جعل من الممكن قياس كمية بخار الماء (H₂O) والميثان (CH₄) في جميع أنحاء الكوكب. وقالت جوانا بارستو، المؤلفة المشاركة من الجامعة المفتوحة في المملكة المتحدة: “لقد منحنا ويب فرصة لمعرفة الجزيئات التي نراها بالضبط ووضع بعض القيود على وفرتها”.

وتُظهر الأطياف علامات واضحة لبخار الماء على الجانب الليلي وكذلك الجانب النهاري للكوكب، مما يوفر معلومات إضافية حول مدى كثافة السحب ومدى ارتفاعها في الغلاف الجوي.

والمثير للدهشة أن البيانات تظهر أيضًا اختلافًا واضحًا نقص الميثان في أي مكان في الغلاف الجوي. على الرغم من أن الجانب النهاري حار جدًا بحيث لا يمكن وجود الميثان (يجب أن يكون معظم الكربون على شكل أول أكسيد الكربون)، إلا أن الميثان يجب أن يكون مستقرًا ويمكن اكتشافه في الجانب الليلي الأكثر برودة.

وأوضح بارستو: “حقيقة أننا لا نرى غاز الميثان تخبرنا أن WASP-43 b يجب أن تصل سرعة الرياح فيه إلى ما يقرب من 5000 ميل في الساعة”. “إذا قامت الرياح بنقل الغاز من جانب النهار إلى جانب الليل ثم عادت مرة أخرى بسرعة كافية، فلن يكون هناك وقت كافٍ للتفاعلات الكيميائية المتوقعة لإنتاج كميات يمكن اكتشافها من الميثان في جانب الليل.”

يعتقد الفريق أنه بسبب هذا الخلط الذي تحركه الرياح، فإن كيمياء الغلاف الجوي هي نفسها في جميع أنحاء الكوكب، وهو ما لم يكن واضحًا من العمل السابق مع هابل وسبيتزر.

المرجع: “سحب الليل وكيمياء عدم التوازن على كوكب المشتري الحار WASP-43b” بقلم تايلور جيه بيل، ونيكولاس كروزيه، وباتريسيو إي. كوبيلو، ولورا كريدبرج، وأنجالي أ.أ. بييت، ومايكل تي. رومان، وجوانا ك. بارستو، وياسمينا بليسيتش، لودميلا كاروني، لويس فيليب كولومب، إلسا دوكروت، مارك هاموند، جواو إم ميندونسا، جوليان آي موسيس، فيفيان بارمنتييه، كيفن بي. ستيفنسون، لوكاس تينتورييه، مايكل تشانغ، ناتالي إم باتالها، جاكوب إل بين، بيورن بينيكي ، بنيامين تشارني، كاتي إل تشب، برايس أوليفييه ديموري، بيتر جاو، إلسبيث كيه إتش لي، مرسيدس لوبيز موراليس، جوزيبي موريلو، إميلي راوشر، ديفيد ك. سينغ، زيانيو تان، أوليفيا فينوت، هانا ر. ويكفورد، كيشاف أغاروال ، إيفا ماريا أهرير، مونازا ك. علام، روبن بايينز، ديفيد بارادو، كلاوديو كاسيريس، أرين إل. كارتر، سارة إل. كاسويل، ريان سي. تشالنر، إيان جيه إم كروسفيلد، لين ديسين، جان ميشيل ديزيرت، إيان دوبس- ديكسون، أكرين ديريك، نيستور إسبينوزا، أدينا د. فاينشتاين، نيل بي جيبسون، جوزيف هارينجتون، كريستيان هيلينج، رينيو هو، نيكولاس إيرو، إليزا إم.-آر. كمبتون، سارة كيندرو، ثاديوس د. كوماتشيك، جيسيكا كريك، بيير أوليفييه لاجاج، جيريمي لوكونت، مونيكا ليندل، نيل تي لويس، جوشوا د. لوثرينجر، إسحاق مالسكي، لويجي مانشيني، ميجان مانسفيلد، ناثان جي ماين، توماس إم. إيفانز سوما، كاران مولافيرديخاني، نيكولاي ك. نيكولوف، ماثيو سي. نيكسون، إنريك بالي، دومينيك جيه إم بيتي دي لاروش، كارولين بيوليت، ديانا باول، بنجامين في. راكهام، آرون د. شنايدر، ماريا إي. ستاينروك. جيك تايلور، لويس ويلبانكس، سيرجي إن. يورتشينكو، شي تشانغ، وسيباستيان زيبا، 30 أبريل 2024، علم الفلك الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

تم إجراء مراقبة MIRI لـ WASP-43 b كجزء من برامج Webb Early Release Science، والتي تزود الباحثين بمجموعة واسعة من البيانات القوية والمفتوحة الوصول لدراسة مجموعة واسعة من الظواهر الكونية.

يعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي المرصد الرائد لعلوم الفضاء في العالم. يعمل ويب على حل الألغاز في نظامنا الشمسي، ويتطلع إلى ما وراء العوالم البعيدة حول النجوم الأخرى، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا ومكاننا فيه. ويب هو برنامج دولي تقوده وكالة ناسا مع شركائها وكالة الفضاء الأوروبية (ESA)وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية.