7 Minutės
James Webb kosminis teleskopas (JWST) sukūrė pirmą trimatę egzoplanetos atmosferos kartografiją, atskleidžiant ryškias karštas zonas, kuriuose vandens molekulės yra ardomos dėl ekstremalios kaitros. Tyrėjai panaudojo spektrinį užtemimo žemėlapiavimą (spectroscopic eclipse mapping), kad nustatytų temperatūros ir cheminius skirtumus WASP-18b atmosferoje — ultra karšto Džupiterio tipo planetoje, kurios dieninė pusė pasiekia beveik 5 000 °F (apie 2 760 °C).
A 3D pionierius: ultra karšto Džupiterio žemėlapis
WASP-18b tapo bandymų poligonu naujoms stebėjimo technikoms ir atmosferos analizės metodams. Esanti maždaug už 400 šviesmečių nuo Žemės, ši dujinė milžinė turi maždaug dešimt kartų didesnį masės už Jupiterį ir apskrieja savo žvaigždę vos per 23 valandas. Jis yra tidaliai užrakintas prie savo žvaigždės — vienas pusrutulis nuolat apšviečiamas ir intensyviai kaitinamas, o kitas beveik nuolat yra tamsoje. Šie kontrastai paverčia WASP-18b stipriu infraraudonųjų spindulių švyturiu JWST stebėjimams ir idealia laboratorija tirti atmosferos fiziką bei cheminius procesus prie temperatūrų, kurios gali viršyti kelis tūkstančius laipsnių.
Jungtinis Merylando universiteto ir Cornellio universiteto tyrėjų kolektyvas (straipsnis paskelbtas Nature Astronomy, 2025 m. spalio 28 d.) išplėtė 2023 m. dvimačio ryškumo žemėlapį į pilną trimatę rekonstrukciją, apimančią platumą, ilgumą ir aukštį. Esminis progresas pasiektas taikant spektrinį užtemimo žemėlapiavimą: matuojant menkus žvaigždės spindulio pokyčius, kai planeta pradingsta už savo žvaigždės per skirtingas bangos ilgių juostas, ir tuos signalus verčiant sluoksniuota temperatūros ir chemijos modeliu. Tokiu būdu gaunamas ne plokščias ryškumo vaizdas, o tūrinis atmosferos vaizdas, kuris įgalina identifikuoti cheminius ir termodinaminius skirtumus skirtinguose aukščiuose ir geografiniuose regione.
Kaip užtemimo žemėlapiai atveria sluoksnius
Spektrinis užtemimo žemėlapis remiasi vienu svarbiu fiziniu principu: skirtingi šviesos bangos ilgiai tiria skirtingus atmosferos gylius. JWST įrenginiai, ypač arti infraraudonųjų spindulių veikiantis Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), gali fiksuoti spektrus plačiame bangų diapazone tuo metu, kai planeta yra užtemdoma. Kai dieninė planetos dalis iš lėto uždengiama ir vėl atsiskleidžia, kiekvienos bangos ilgio srauto (flux) pokyčiai koduoja ryškumo pasiskirstymą toje atmosferos gylio zonoje.
Spektrinių duomenų pokyčiai — nors ir labai maži — leidžia atsekti temperatūros gradientus, molekulių tankį ir radiacinius savybes skirtingose atmosferos aukščio lentelėse. Kombinuojant daugelio bangų ilgių stebėjimus su atmosferos modeliavimu ir inversinėmis rekonstrukcijomis, mokslininkai priskiria temperatūras ir chemines koncentracijas atskiroms voxelių grandims, sudarydami trimatį žemėlapį. Tokia metodika išplečia tradicinių dvimačių metodų galimybes, leidžiant tiesiogiai susieti vertikalią struktūrą su horizontaliais šilumos ir chemijos pasiskirstymais.
„Ši technika iš tiesų yra praktiškai vienintelė, leidžianti vienu metu tirti tris matmenis: platumą, ilgumą ir aukštį,“ sakė Megan Weiner Mansfield, bendradarbių vadovė ir astronomijos docentė Merylando universitete. „Tai suteikia mums detalių lygį, kurio anksčiau neturėjome tiriant tokius planetinius objektus.“
Ryan Challener, straipsnio bendraautorius iš Cornellio, pridūrė, kad „užtemimo žemėlapiai leidžia vizualizuoti egzoplanetas, kurių negalime pamatyti tiesiogiai dėl jų šeimininkių žvaigždžių ryškumo. Su šiuo teleskopu ir naujomis metodikomis galime pradėti suprasti egzoplanetas taip, kaip nagrinėjame Saulės sistemos kaimynes.“ Tokia frazė pabrėžia JWST unikalias galimybes infraraudonųjų spindulių spektroskopijoje ir aukštos raiškos terminiuose matavimuose.
Planeta, kurioje vanduo neišgyvena
Trimatis žemėlapis atskleidė concentrišką karštą tašką planetos nuolatinėje dieninėje pusėje bei vėsesnį žiedą netoli terminatoriaus — ribos tarp dienos ir nakties. Svarbu tai, kad spektriniai sluoksniai, jautrūs vandens garams, parodė ženkliai mažesnį vandens buvimą pačioje kaitriausioje zonoje, palyginti su aplinkinėmis vėsesnėmis sritimis. Interpretacija aiški ir paprasta iš fizikos požiūrio: prie temperatūrų, siekiančių kelis tūkstančius laipsnių Celsijaus, vandens molekulės termiškai disocijuoja į vandenilį ir deguonį — kitaip tariant, vanduo nebėra aptinkamas kaip molekulinė rūšis tose atmosferos dalyse.
Weiner Mansfield paaiškino: „Mes anksčiau matėme tai populiacijos lygmeniu: šaltose egzoplanetose aptinkamas vanduo, o karštose — jau ne. Tačiau tai pirmas kartas, kai tą procesą matome išskaidytą vienoje planetoje. Tai viena atmosfera, bet joje yra vėsesni regionai, kuriuose vanduo išlieka, ir karšti regionai, kur vanduo yra ardomas. Tai buvo numatyta teorijoje, bet dabar yra labai džiugu tai pamatyti realiuose stebėjimuose.“
Mokslinis kontekstas ir metodai
Ultra karšti Džupiteriai, tokie kaip WASP-18b, užima parametrų sritį, kurioje molekulių disociacija, jonizacija ir radiaciniai procesai ryškiai formuoja atmosferos struktūrą. Be vandens disociacijos, kitos molekulės, pavyzdžiui titano oksidas (TiO) ar vanadžio oksidas (VO), taip pat atominės rūšys gali tapti dominuojančiais absorbuojančiais komponentais esant itin aukštoms temperatūroms. Tokie pokyčiai stipriai keičia infraraudonųjų spindulių emisijos profilius ir spektrines savybes.
Nauji 3D žemėlapiai sujungia daugiabangius užtemimo duomenis, atmosferos modeliavimo metodikas ir inversines rekonstrukcijas. Techniniu požiūriu tai apima radiacinio perdavimo modelius, termodinamikos ribinių sąlygų įvertinimą, ir kartu taikomas statistines procedūras (pvz., Markovo Grandinės Monte Karlo arba variacinius sprendimus) cheminėms sudėtinėms reikšmėms atkurti iš riboto spektrinio signalo. Gautas tūrinis vaizdas (voxelinė reprezentacija) leidžia priskirti temperatūras ir tūrius skirtingiems platumos-ilgumos-auščio segmentams, kas savo ruožtu pagerina mūsų supratimą apie dinamiką ir vertikalų šilumos transportą.
Šis metodas papildo kitus JWST taikytus metodus: tranzito spektroskopiją (probe limbų cheminę sudėtį) ir fazių kreivės monitoriavimą (phase-curve monitoring), kuris fiksuoja ilginius šilumos pernašos efektus. Išsprendžiant ir aukštį, ir paviršiaus koordinates, spektrinis užtemimo žemėlapis jungia chemiją ir dinamiką — ten kur šiluma yra stipriausia, molekulės suyra; kur vėsu, cheminiai junginiai išlieka ir juos galima aptikti spektruose.
Ką tai reiškia egzoplanetų mokslui
- Koncepto patvirtinimas: metodas demonstruoja JWST galimybes kurti 3D atmosferos diagnostiką, atveriant kelią tirti daugelį karštųjų Džupiterių iš daugiau nei 6 000 patvirtintų egzoplanetų kataloge.
- Chemija ir cirkuliacija: tokie žemėlapiai atskleidžia, kaip žvaigždinė radiacija, planetiniai vėjai ir vertikalus maišymasis paskirsto šilumą ir chemines rūšis per visą planetą, leidžiant patikrinti ir tobulinti atmosferos cirkuliacijos modelius.
- Palydovo planetologija: turint platesnį taikinių rinkinį, astronomai galės palyginti atmosferinį ardymą per skirtingas temperatūras ir gravitacijas, susieti molekulių išlikimą su planetos savybėmis ir sukurti sistemingą egzoplanetų atmosferų tipologiją.
- Už dujinių milžinų ribų: tyrėjai tikisi adaptuoti metodą mažesnėms, galbūt kietosioms pasaulėms; net negaubtinėms (be atmosferos) planetoms užtemimo žemėlapiavimas galėtų atskleisti paviršiaus temperatūros pokyčius ir pateikti užuominas apie sudėtį.
Ekspertų įžvalga
Dr. Lena Ortiz, fiktyvi astrofiziikė ir atmosferų modeliuotoja Išorinių planetų studijų institute, komentavo: „Vandens disociacijos erdvinis pasiskirstymas vienoje planetoje yra kertinis momentas. Tai patvirtina ilgai trunkančias prognozes aukštos temperatūros chemijos srityje ir demonstruoja, kad JWST gali atskirti vertikalius ir horizontalius signalus, kurie anksčiau buvo susimaišę. Kitas žingsnis — taikyti šiuos žemėlapius įvairiems taikiniams, kad pradėtume žemėlapiuoti atmosferų evoliuciją kaip funkciją krintančio radiacinio srauto ir planetos masės.“
Ateities perspektyvos: aiškesni žemėlapiai, mažesni pasauliai
Tyrimų komanda nurodo, kad papildomi JWST stebėjimai pagerins raišką ir sumažins netikrumus, leidžiant tankiau imti aukščio sluoksnių mėginius ir tiksliau atkurti chemines koncentracijas. Kaupiant teleskopo laiką ir tobulinant žemėlapio sudarymo metodus, astronomai tikisi sukurti 3D atmosferos atlasus dešimtims ar net šimtams tranzituojančių karštųjų Džupiterių. Ambicingesni projektai galėtų stumti metodiką link sub-Neptūno ir terrestrinių planetų sferų, kur ateityje žemėlapiai galėtų atskleisti paviršiaus nelygumus, debesų dinamines struktūras ar net netiesioginius biosignalo požymius, esant tinkamoms sąlygoms.
Dabartinė WASP-18b rekonstrukcija yra dramatiškas pristatymas: planeta su deginančia dienine puse, kuri tiesiogiai ardo vandenį, ir vėsesne periferija, kur molekulės dar gali išlikti. Šis kontrastas, atvaizduotas trimatėje erdvėje, suteikia mokslininkams naują, išsamesnį būdą skaityti orus ir cheminę dinamiką planetose už mūsų Saulės sistemos ribų — ir kelia ambicingesnius klausimus apie tai, kaip atmosferos elgiasi ekstremaliose sąlygose, kurių negalime atkurti Žemėje. Tolimesni analizės žingsniai apims platesnį spektrų diapazoną, sudėtingesnius radiacinio perdavimo modelius ir tarpdisciplininį požiūrį, sujungiant stebėjimus, teoriją ir laboratorinius duomenis apie aukštos temperatūros cheminių procesų kinetiką.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą