James Webb ser HD 80606 b blive stegt under en ekstrem passage

En planet med en kometlignende bane

HD 80606 b er ikke en typisk varm Jupiter. Hvor mange gasgiganter kredser tæt og næsten cirkulært om deres stjerne, følger denne planet en bane, der minder mere om en komets.

Den befinder sig omkring 217 lysår fra Jorden i stjernebilledet Store Bjørn og bruger 111 dage på et helt omløb . Banens excentricitet er cirka 0,93, hvilket gør den usædvanligt aflang .

På det fjerneste punkt er planeten omkring 0,88 astronomiske enheder fra stjernen. Ved den nærmeste passage – periastron – kommer den helt ind på cirka 0,03 astronomiske enheder . Det betyder, at den på kort tid bevæger sig fra relativt beskedne bestrålingsforhold til et miljø, hvor den modtager næsten 1.000 gange så meget stråling fra stjernen .

Et varmechok på omkring 600 grader

Det er under denne tætte passage, at HD 80606 b for alvor bliver stegt. Observationer med James Webb-rumteleskopet viser, at planetens temperatur stiger med omkring 1.100 grader Fahrenheit, svarende til cirka 600 grader Celsius .

Tidligere observationer med NASAs Spitzer-rumteleskop havde allerede vist, hvordan planetens infrarøde varme ændrede sig gennem omkring 30 timers kontinuerlige målinger. Dataene pegede på en global varmebølge og en voldsom storm, der opstod efter den korte, intense opvarmning . NASA beskrev forholdene som en slags ”super-sommerdag” på en planet med en kometlignende bane .

Webb har nu gjort det muligt at gå et skridt videre: Ikke blot at måle, hvor varm planeten bliver, men også at se, hvordan atmosfærens kemi reagerer på varmen.

Atmosfæren skifter kemisk på få timer

Astronomerne brugte Webbs nærinfrarøde spektrograf NIRSpec i instrumentets G395H-tilstand. Observationerne dækkede et 21 timer langt tidsvindue omkring den formørkelse, der finder sted kort før planetens nærmeste passage forbi stjernen .

Før periastron var emissionsspektret næsten uden tydelige kemiske kendetegn. Det lignede i høj grad et såkaldt sortlegemespektrum, hvor atmosfæren fremstår relativt ensartet i det observerede lys.

Efterhånden som planeten nærmede sig stjernen og blev kraftigt opvarmet, ændrede billedet sig. Spektret begyndte at vise molekylære fingeraftryk:

• Metan (CH₄) blev registreret efter den nærmeste passage med en statistisk signifikans på 3,7–4,8 sigma.
• Kulilte (CO) blev registreret med 3,4 sigma.
• Vanddamp (H₂O) blev registreret med 3,1 sigma .

Resultatet viser, at atmosfæren ikke er statisk. Den kraftige, kortvarige opvarmning sætter gang i kemiske processer, som kan ændre, hvilke molekyler der er synlige i atmosfæren, mens planeten bevæger sig gennem sin bane.

Ingen tydelig temperaturinversion

Observationerne gav også et vigtigt negativt resultat. Forskerne kunne udelukke en kraftig temperaturinversion – et lag i atmosfæren, hvor temperaturen stiger med højden – som nogle modeller havde forudsagt .

Sådanne inversioner findes på andre stærkt bestrålede varme Jupiter-planeter. På HD 80606 b kan den ekstreme opvarmning dog være for kortvarig til at skabe et stabilt varmt lag højt i atmosfæren. En anden mulighed er, at planetens atmosfæriske dynamik fordeler varmen så effektivt, at inversionen ikke når at udvikle sig.

Fra at måle varme til at aflæse kemi

Spitzer gav forskerne det første detaljerede indblik i, hvordan HD 80606 b reagerer på sin tætte passage. Webb tilføjer en ny dimension ved hjælp af spektroskopi, hvor lyset opdeles i forskellige bølgelængder. På den måde kan forskerne identificere molekyler ud fra de bestemte dele af lyset, som de absorberer .

Det er især tidsforløbet, der gør HD 80606 b interessant. Planetens effektive temperatur forventes at kunne stige fra omkring 400 kelvin til over 1.400 kelvin på få timer . Den hurtige ændring giver astronomerne et sjældent laboratorium til at undersøge chokbølger, turbulens, varmefordeling og kemiske reaktionstider i en fremmed atmosfære.

En global gruppe af teleskoper hjalp desuden med at forbedre beregningerne af planetens bane. Det reducerede usikkerheden på tidspunktet for transit og formørkelse fra titals minutter til få minutter og gjorde det muligt at planlægge Webbs observationer af den korte, afgørende passage mere præcist .

Hvorfor observationen betyder noget

HD 80606 b er ikke et bud på en beboelig verden. Dens værdi ligger i, at den viser, hvor voldsomt en planets klima og atmosfærekemi kan ændre sig, når afstanden til stjernen varierer ekstremt.

Observationen passer ind i Webbs bredere arbejde med at undersøge atmosfærer på exoplaneter – planeter uden for Solsystemet. Teleskopet kan blandt andet bruge transmissionsspektroskopi til at analysere stjernelys, der passerer gennem en planets atmosfære, og dermed lede efter kemiske fingeraftryk .

Andre Webb-observationer viser, hvor forskelligartede disse atmosfærer kan være. På den ultravarme WASP-121 b er der blandt andet rapporteret vanddamp, kulilte, siliciummonoxid og metan . På den mere tempererede gasgigant TOI-199 b er metan blevet identificeret i atmosfæren .

HD 80606 b skiller sig dog ud ved at give forskerne mulighed for at følge en atmosfære gennem en dramatisk ”årstid”: før, under og efter en tæt passage, hvor planetens temperatur og kemiske fingeraftryk ændrer sig på få timer. Det gør verdenen til et af de mest ekstreme naturlige laboratorier for atmosfærefysik, som astronomerne har adgang til.