系外惑星 WASP-43b の天気ウェブマップ

WASP-43 b は夜は曇り、日中は晴れており、熱帯の風が時速 5,000 マイルで地球の周りを渦巻いています。

時々 いいえ 何かを見つけることは、それを見つけることと同じくらい刺激的でやりがいがあります。 熱くなってください 木星 たとえば、WASP-43B。 この潮汐に閉ざされた世界には、常に非常に暑い昼側と、やや涼しい夜側があります。 天文学者らはウェッブを使って温度をマッピングし、惑星周囲の大気を分析しているが、夜側で一般的な炭素分子であるメタンが検出されることを期待している。 しかし、明らかにその兆候はありません。 なぜ？ この結果は、高温ガスの超音速風が昼側から吹き、大気の向きを完全に変え、夜側でメタンを生成する化学反応を防ぐことを示唆している。

この光度曲線は、惑星が恒星の周りを周回する際の WASP-43 システムの明るさの時間の経過に伴う変化を示しています。 このタイプの光度曲線は、軌道全体、つまり惑星のすべての位相を含むため、位相曲線として知られています。
潮汐ロックされているため、WASP-43 b の回転に応じてさまざまな側面が回転します。 この系は、惑星が星の後ろを通過する二次食の直前と直後、昼間の暑い側が望遠鏡に面しているときに最も明るく見えます。 惑星が公転を続け、夜側が地平線を周回するにつれて、この星系は暗くなっていきます。 通過後、惑星が星の前を通過して星の光の一部を遮ると、昼側が回転して視界に戻るとシステムが再び点灯します。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Ralph Crawford (STScI)、Taylor Bell (BAERI)、Joanna Barstow (The Open University)、Michael Roman (University of Leicester)

ウェッブ宇宙望遠鏡は、280 光年離れた惑星の天気図を作成します

国際的な研究者チームによって使用され、成功を収めています。 NASAさんの ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 高温ガス巨大系外惑星 WASP-43 の天気図を作成する ｂ．

3D気候モデルや他の望遠鏡による以前の観測と組み合わせた、中赤外線の正確かつ大規模な輝度測定は、夜側を覆う厚い高い雲、昼側の晴天、および5,000を超える熱帯風を示しています。数マイルの高さ。 地球上の大気ガスの 1 時間当たりの混合量。

調査は最新の証拠にすぎない 系外惑星 温度変化を測定し、何兆マイルも離れた大気ガスを検出するウェッブの並外れた能力のおかげで、科学は現在可能です。

「ホットジュピター」は潮汐ロックされている

WASP-43 b は、「ホット ジュピター」系外惑星の一種です。大きさは木星に似ており、主に水素とヘリウムで構成され、太陽系のどの巨大惑星よりもはるかに高温です。 WASP-43 b は太陽よりも小さく温度が低いにもかかわらず、水星と太陽の間の距離の 1/25 に満たないわずか 130 万マイルの距離を周回しています。

軌道が非常に狭いため、この惑星は潮汐が固定されており、一方の側は常に照らされ、もう一方の側は永遠の暗闇にあります。 夜の側は恒星から直接放射線を受けることはありませんが、強い東風が昼の側から熱を運びます。

2011 年の発見以来、WASP-43 b は NASA のハッブル望遠鏡や現在は引退したスピッツァー宇宙望遠鏡など、いくつかの望遠鏡を使用して観測されてきました。

「ハッブルでは、昼側に水蒸気があることがはっきりとわかります。ハッブルとスピッツァーの両方が、夜側に雲がある可能性があることを示しました」とベイエリア環境研究所の研究者であり、論文の主著者であるテイラー・ベルは説明した。 4月30日に発表された研究 自然天文学。 「しかし、実際に地球全周のより詳細な気温、雲量、風、大気組成のマッピングを開始するには、ウェッブによるより正確な測定が必要でした。」

この系外惑星の位相曲線の簡略化された図は、惑星が恒星の周りを周回する際の、恒星-惑星系の全体的な明るさの変化を示しています。 このシステムは、惑星の照らされた部分が望遠鏡に面しているとき (全位相) に最も明るく見えます。 暗黒面の大部分が望遠鏡に面しているとき（新相）、惑星が星の光の一部を遮るとき（トランジット）、星が惑星の光を遮るとき（二次日食）は暗く見えます。
(上) 惑星が恒星の周りを周回する際の、惑星の位相 (望遠鏡に面した光が当たる面の量) の変化を示す図。
(下) 惑星が恒星の周りを周回する際の、恒星系と惑星の全体的な明るさの変化を示す 3D グラフ。 光度曲線として知られるこのグラフでは、水平面が軌道位置、縦軸が明るさです。
(右) スケールバー。 軌道図と光度曲線の両方で、色は観察された星と惑星の明るさを示します。濃い紫 (検出される光が少ない) から白 (検出される光が多い) までです。
研究者は位相曲線を使用して、経度（左右）に伴う惑星の反射率と温度の変化を研究し、惑星の表面組成と大気の状態についての洞察を得ることができます。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Danny Player (STScI)、Andy James (STScI)、Greg Bacon (STScI)

温度マッピングと天気推論

WASP-43 b は、望遠鏡で直接見るには小さすぎて暗く、恒星に近いため、公転周期がわずか 19.5 時間と短く、星の明るさの小さな変化を測定する位相曲線分光法に最適です。 星と惑星システム 惑星が星の周りを周回するとき。

物体から発せられる中赤外線の量はその温度に大きく依存するため、ウェッブが捕捉した輝度データは惑星の温度を計算するために使用できます。

研究チームは、Webb の MIRI (中赤外線計測器) 装置を使用して、WASP-43 システムからの光を 10 秒ごとに 24 時間以上測定しました。 「軌道全体を観察することで、地平線を周回する惑星のさまざまな側面の温度を計算することができました」とベル氏は説明した。 「そこから、地球全体の気温の大まかな地図を作成することができます。」

測定によると、日中の平均気温は約2,300度です F (1,250度 摂氏) – 鉄を形成するのに十分な温度。 一方、夜側は 1,100°F (600°C) と著しく涼しくなります。 このデータは、惑星の最も熱い点 (「ホット スポット」) の位置を決定するのにも役立ちます。この点は、恒星からの放射線を最も多く受け取る点 (星が惑星の空で最も高い場所) からわずかに東にずれています。 この変化は、熱い空気を東に移動させる超音速風によって引き起こされます。

「この方法で温度をマッピングできるという事実は、ウェッブの感度と安定性の真の証拠です」と共著者である英国レスター大学のマイケル・ローマン氏は述べた。

地図を解釈するために、チームは、地球上の天気や気候を理解するために使用されるような複雑な 3D 大気モデルを使用しました。 分析の結果、夜の側は厚く高い雲の層で覆われており、赤外線の一部が宇宙に逃げるのを妨げている可能性があることが示されています。 その結果、夜側は非常に暑いですが、雲がない場合よりも暗く、涼しく見えます。

この一連の地図は、高温ガス巨大系外惑星 WASP-43 b が恒星の周りを周回するときの、その目に見える側の温度を示しています。 この温度は、NASA のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の MIRI (中赤外線観測装置) によって恒星系や惑星から検出された 5 ～ 12 ミクロンの中赤外線の 8,000 回以上の輝度測定に基づいて計算されました。 一般に、物体の温度が高いほど、より多くの中赤外光が放出されます。 画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Ralph Crawford (STScI)、Taylor Bell (BAERI)、Joanna Barstow (The Open University)、Michael Roman (University of Leicester)

メタンの損失と強風

ウェッブによって捉えられた中赤外光の広いスペクトルにより、水蒸気の量 (H₂O) およびメタン (CH₄) 地球上で。 共著者である英国オープン大学のジョアンナ・バーストウ氏は、「ウェッブは、私たちが見ている分子がどのようなものかを正確に知り、その存在量に制限を加える機会を与えてくれました」と述べた。

スペクトルは、惑星の夜側と昼側で水蒸気の明確な兆候を示しており、雲の密度と大気中の上昇の高さに関する追加情報を提供します。

驚くべきことに、データでも明らかな違いが示されています 損失 大気中のどこにでもメタンが存在します。 日中はメタンが存在するには暑すぎますが（炭素の大部分は一酸化炭素の形であるはずです）、涼しい夜側ではメタンは安定しており、検出できるはずです。

「メタンが見られないという事実は、WASP-43 bの風速が時速5,000マイル近くに違いないことを示しています」とバーストー氏は説明した。 「風によってガスが昼側から夜側に移動し、その後十分な速さで再び元に戻った場合、予想される化学反応が夜側で検出可能な量のメタンを生成するのに十分な時間がなくなるでしょう。」

研究チームは、この風による混合のおかげで、大気の化学的性質は地球全体で同じであると考えていますが、これはハッブルとスピッツァーによる以前の研究では明らかではありませんでした。

参考文献: 「熱い木星 WASP-43b 上の夜の雲と非平衡化学」 (Taylor J. Bell、Nicolas Crozet、Patricio E. 著) コベロ、ローラ・クライドバーグ、アンジャリ A.A. ピート、マイケル T. ローマンとジョアンナ K. バーストー、ジャスミナ プリシッチ、リュドミラ カロネ、ルイ フィリップ コロン、エルサ デュクロ、マーク ハモンド、ジョアン M. メンドンサ、ジュリアン I. モーゼス、ヴィヴィアン パルマンティエ、ケビン B. スティーブンソン、ルーカス・ティントリエ、マイケル・チャン、ナタリー・M・バターリャ、ジェイコブ・L・ビーン、ビョルン・ベネケ、ベンジャミン・チャーニー、ケイティ・L・チャブ、ブライス・オリヴィエ・ドゥモーリー、ピーター・ガオ、エルスペス・K・H・リー、メルセデス・ロペス・モラレス、ジュゼッペ・モレロ、エミリーラウッシャー、デヴィッド K. シン、シアンユー タン、オリビア ヴィノット、ハンナ R. ウェイクフォード、ケシャブ・アガルワル、エヴァ・マリア・アーラー、ムナーザ・K. アラム、ルーベン・バイエン、デヴィッド・パラド、クラウディオ・カセレス、アリン・L. カーター、サラ・L. キャズウェル、ライアン C. チャルナー、イアン・J・M・クロスフィールド、リン・デサイン、ジャン=ミシェル・デザート、イアン・ドブス=ディクソン、アクレン・デリック、ネストル・エスピノーサ、アディーナ・D. ファインスタイン、ニール・B・ギブソン、ジョセフ・ハリントン、クリスチャン・ヘリング、レニュー・フー、ニコラス・イエロ、エリザ・M.-R. コンプトン、サラ・ケンドリュー、サデウス D. コマチェク、ジェシカ クリック、ピエール＝オリヴィエ ラゲージ、ジェレミー ルコント、モニカ リンデル、ニール T. ルイス、ジョシュア D. ロスリンジャー、アイザック マルスキー、ルイージ マンチーニ、ミーガン マンスフィールド、ネイサン J. メイン、トーマス M. エヴァンス・ソーマ、カラン・モラヴェルドハーニ、ニコライ・K. ニコロフ、マシュー C. ニクソン、エンリケ・ペイリー、ドミニク・J・M・プチ・ド・ラ・ロシュ、キャロリン・ピオレ、ダイアナ・パウエル、ベンジャミン・V. ラカム、アーロン D. シュナイダー、マリア E. スタインロック。 ジェイク テイラー、ルイス ウィルバンクス、サーゲイ N. ユルチェンコ氏、シー・チャン氏、セバスチャン・ジバ氏、2024年4月30日、 自然天文学。
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x

WASP-43 b の MIRI 観測は、幅広い宇宙現象を研究するための広範囲にわたる堅牢なオープンアクセス データを研究者に提供するウェッブ早期リリース サイエンス プログラムの一環として実施されました。

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界有数の宇宙科学天文台です。 ウェッブは太陽系の謎を解き明かし、他の星の周囲の遠い世界を超えて、私たちの宇宙とその中での私たちの位置の神秘的な構造と起源を探求します。 WEB は、NASA とそのパートナーである欧州宇宙機関 (ESA) が主導する国際プログラムです。欧州宇宙機関）とカナダ宇宙庁。