James Webb sledoval planetu, která se během hodin rozpálí o 1 100 °F

Na většině planet se roční období mění postupně. HD 80606 b ale prožívá něco, co se běžnému počasí vymyká: během několika hodin se z relativně chladného plynného obra stává svět rozpálený na tisíce kelvinů.

Teleskop Jamese Webba sledoval tuto exoplanetu při průletu kolem její hvězdy a zaznamenal nárůst teploty přibližně o 1 100 °F, tedy asi o 610 °C . Nešlo přitom jen o měření tepla. Webb dokázal zachytit také okamžik, kdy se v atmosféře začaly objevovat charakteristické chemické podpisy jednotlivých molekul .

Oběžná dráha jako z komety

HD 80606 b se nachází přibližně 217 světelných let od Země v souhvězdí Velké medvědice. Jde o plynného obra o hmotnosti zhruba čtyř Jupiterů, který oběhne svou hvězdu jednou za 111 dní .

Nejpozoruhodnější je však jeho dráha. Její excentricita dosahuje přibližně 0,93, takže planeta neobíhá po téměř kruhové trase jako mnoho jiných „horkých Jupiterů“. Místo toho se pohybuje po výrazně protáhlé dráze připomínající dráhu komety .

V nejvzdálenějším bodě, takzvaném apoastru, je od hvězdy asi 0,88 astronomické jednotky. Při nejbližším průletu, tedy v periastru, se dostává na pouhých 0,03 astronomické jednotky . Každý oběh tak znamená téměř tisícinásobný nárůst množství záření, které na planetu dopadá .

Výsledkem je prudký přechod z relativního chladu k extrémnímu žáru. Modely předpokládají, že efektivní teplota planety může během několika hodin vzrůst přibližně ze 400 kelvinů na více než 1 400 kelvinů .

Webb zachytil atmosféru v proměně

Astronomové využili přístroj NIRSpec, tedy blízkoinfračervený spektrograf Webbova teleskopu, v režimu G395H. Pozorování probíhalo během 21 hodin v okolí zatmění planety, které nastává krátce před jejím nejbližším přiblížením ke hvězdě .

Před průletem periastrem působilo emisní spektrum planety téměř jako jednoduché spektrum černého tělesa. Jinými slovy, v datech nebyly patrné výrazné molekulární otisky. Jak se planeta začala rychle zahřívat, spektrum se změnilo a objevily se absorpční čáry odpovídající konkrétním látkám .

Výzkumný tým detekoval:

• metan (CH₄), jehož přítomnost byla po průletu periastrem potvrzena s významností 3,7 až 4,8 sigma,
• oxid uhelnatý (CO) s významností 3,4 sigma,
• vodní páru (H₂O) s významností 3,1 sigma .

Hodnota sigma vyjadřuje statistickou přesvědčivost detekce. Čím vyšší je, tím menší je pravděpodobnost, že signál vznikl pouhou náhodou. V tomto případě měření ukazují, že chemie atmosféry se s měnícím množstvím energie vyvíjí v čase.

Chybí očekávaná teplotní inverze

Pozorování přineslo také překvapení. Některé modely předpovídaly vznik silné teplotní inverze — vrstvy atmosféry, v níž teplota s rostoucí výškou stoupá. Takové vrstvy se objevují u některých silně ozářených horkých Jupiterů.

Data z Webbova teleskopu však přítomnost výrazné teplotní inverze v případě HD 80606 b vyloučila . Jedním z možných vysvětlení je, že zahřívání trvá příliš krátce na to, aby se taková stabilní vrstva vytvořila. Teplo může také atmosféra velmi rychle rozvádět do dalších oblastí planety.

Od měření tepla k pozorování chemie

HD 80606 b astronomy zajímá už delší dobu. Spitzerův vesmírný teleskop v letech 2007 a 2009 sledoval změny infračerveného záření během 30 hodin v okolí blízkého průletu . Tato pozorování ukázala globální tepelný impuls a následně také mohutnou bouři, která se v atmosféře vytvořila . NASA tehdy podmínky na planetě přirovnala k „superletnímu dni“ .

Spitzer tedy ukázal, jak se planeta zahřívá. Webb šel o krok dál: pomocí spektroskopie umožnil sledovat, jak na tento náhlý přísun energie reagují konkrétní molekuly v atmosféře . Změna spektra z téměř beztvarého na chemicky výrazné poskytuje astronomům časově rozlišený pohled na atmosférické procesy, které se odehrávají během jediného průletu.

Přesné načasování pozorování nebylo samozřejmostí. Síť pozemských teleskopů pomohla zpřesnit výpočet okamžiku tranzitu a zatmění planety z desítek minut na několik minut. Webb tak mohl být naplánován na krátké, ale klíčové období kolem periastru .

Proč je tento svět důležitý

HD 80606 b není kandidátem na obyvatelnou planetu. Její význam spočívá jinde: představuje přirozenou laboratoř pro studium extrémní atmosférické fyziky. Prudké zahřívání může vyvolávat rázové vlny, turbulence a rychlé chemické reakce, které se na stabilnějších planetách hledají jen obtížně .

Pozorování zapadá do širšího programu Webbova teleskopu, jehož cílem je analyzovat atmosféry světů s velmi odlišnými podmínkami. U exoplanety WASP-121 b například Webb pomohl odhalit vodní páru, oxid uhelnatý, oxid křemičitý a metan v různých částech její atmosféry . U planety TOI-199 b, plynného obra o velikosti Saturnu, se podařilo studovat atmosféru bohatou na metan při výrazně mírnějších teplotách .

HD 80606 b je však výjimečná tím, že její atmosféra se mění v přímé reakci na extrémně protáhlou oběžnou dráhu. Webb tak astronomům nenabídl jen snímek vzdáleného světa, ale téměř filmový záznam jeho přechodu z chladu do kosmického žáru — v měřítku několika hodin.