HD 80606 b:n rajut vuodenajat paljastavat eksoplaneetan muuttuvan kemian

James Webb -avaruusteleskooppi on seurannut yhtä tunnetuista eksoplaneetoista kaikkein rajuinta sääilmiötä. HD 80606 b on kaasujättiläinen, joka kiertää Aurinkoa muistuttavaa tähteä noin 217 valovuoden päässä Ison karhun tähdistössä. Sen rata on niin venynyt, että se muistuttaa enemmän komeetan kuin tavallisen planeetan rataa .

Kun planeetta syöksyy radallaan lähelle tähteään, sen lämpötila kohoaa Webb-teleskoopin havaintojen perusteella noin 1 100 Fahrenheit-astetta eli noin 610 celsiusastetta . Kyse ei ole vain lämpömittarin lukeman muutoksesta: samalla myös ilmakehän kemiallinen koostumus näyttää muuttuvan nopeasti.

Komeetan kaltainen rata aiheuttaa äärimmäiset vuodenajat

HD 80606 b ei ole tyypillinen kuuma Jupiter. Useimmat tämän luokan planeetat kiertävät tähteään hyvin lähellä ja melko ympyrämäisellä radalla. HD 80606 b:n radan eksentrisyys on sen sijaan noin 0,93, mikä tekee radasta poikkeuksellisen soikean .

Planeetan etäisyys tähdestä vaihtelee noin 0,03 astronomisesta yksiköstä 0,88 astronomiseen yksikköön. Astronominen yksikkö tarkoittaa Maan ja Auringon keskimääräistä etäisyyttä. Lähimmillään HD 80606 b käy vain noin 2,8 miljoonan mailin eli 4,5 miljoonan kilometrin päässä tähtensä pinnasta .

Planeetta tekee yhden kierroksen 111 päivässä, ja sen tähdeltä saama säteily lisääntyy radan aikana lähes tuhatkertaiseksi . Tämän seurauksena sen efektiivisen lämpötilan on arvioitu nousevan muutamassa tunnissa noin 400 kelvinistä yli 1 400 kelviniin . NASA:n aiemmissa kuvauksissa lähiohituksen kuumenemista verrattiin osuvasti ”superkesäpäivään” .

Webb näki kemian muuttuvan kesken kaiken

Aiempi Spitzer-avaruusteleskooppi seurasi järjestelmää 30 tunnin ajan infrapunavalossa ja mittasi, kuinka planeetan lämpösäteily muuttui lähiohituksen aikana . Havainnot viittasivat siihen, että nopea kuumeneminen synnyttää planeetan ilmakehään voimakkaita myrskyjä.

Webb vei tutkimuksen askeleen pidemmälle. Tutkijat käyttivät sen NIRSpec-spektrografia 21 tunnin havaintoikkunassa, joka ajoittui planeetan lähiohituksen eli periastronin ympärille . Spektroskopiassa valo hajotetaan aallonpituuksiksi. Molekyylit jättävät spektriin omat tunnistettavat jälkensä, joten menetelmällä voidaan päätellä, mitä kaukaisen planeetan ilmakehässä on.

Kun HD 80606 b oli vielä viileämmässä vaiheessa, sen lämpösäteilyn spektri muistutti lähes piirteetöntä mustan kappaleen spektriä. Lähiohituksen edetessä spektriin ilmestyi kuitenkin molekyyleille ominaisia absorptiojuovia. Tutkimusryhmä raportoi metaanin, hiilimonoksidin ja vesihöyryn havaintoja .

Metaanin havaitsemisen tilastollinen merkitsevyys oli vaiheesta riippuen 3,7–4,8 sigmaa. Lähiohituksen jälkeen hiilimonoksidin merkitsevyys oli 3,4 sigmaa ja vesihöyryn 3,1 sigmaa . Havainnot kuvaavat ilmakehää, joka ei pysy samanlaisena koko radan ajan, vaan reagoi tähden säteilypulssiin sekä fysikaalisesti että kemiallisesti.

Ennustettua lämpötilakerrosta ei löytynyt

Havainnot eivät myöskään tue voimakkaan lämpötilainversion olemassaoloa . Lämpötilainversiossa ilmakehä lämpenee korkeuden kasvaessa, toisin kuin Maan ilmakehän tavanomaisessa lämpötilarakenteessa.

Tällaisia kerroksia on havaittu tai ennustettu voimakkaasti säteilytetyillä kuumilla Jupitereilla. HD 80606 b:n tapauksessa kuumeneminen on kuitenkin hyvin rajua ja lyhytkestoista. Se ei ehkä kestä riittävän pitkään vakaan inversiokerroksen muodostumiseen, tai planeetan ilmakehän liikkeet kuljettavat lämmön niin tehokkaasti muualle.

Miksi havainto on tärkeä?

HD 80606 b toimii luonnollisena laboratoriona, jossa voidaan tutkia, miten planeetan ilmakehä reagoi nopeasti muuttuviin olosuhteisiin. Lämpötilan jyrkkä nousu voi synnyttää paineaaltoja, voimakasta turbulenssia ja myrskyjä, joita on vaikea mallintaa .

Spitzerin havainnot kertoivat ennen kaikkea, miten planeetan lämpö muuttuu. Webb pystyy lisäksi tarkastelemaan ilmakehän kemiallista vastetta spektroskopian avulla . Siksi HD 80606 b:n tutkimus auttaa tutkijoita vertailemaan ilmakehän kemiallisia ja fysikaalisia aikaskaaloja sekä testaamaan malleja, jotka kuvaavat kaasujen sekoittumista ja kemiallista tasapainottomuutta .

Webbin laajempi eksoplaneettatutkimus ulottuu hyvin erilaisiin maailmoihin. Esimerkiksi WASP-121 b:n tutkimuksissa on tunnistettu sen äärimmäisen kuuman ilmakehän molekyylejä, kuten vettä, hiilimonoksidia, piioksidia ja metaania . TOI-199 b puolestaan edustaa paljon leudompaa kaasujättiläistä, jonka ilmakehästä on raportoitu metaania .

HD 80606 b:n erityispiirre on kuitenkin sen ajallinen muutos: Webb pääsi seuraamaan, kuinka ilmakehän spektri muuttui lähiohituksen edetessä. Planeetan lämpötila ja kemiallinen tila vaihtuvat muutamassa tunnissa tavalla, joka tarjoaa tutkijoille harvinaisen näkymän eksoplaneetan ”vuodenaikojen” syntyyn.

Havainnot edellyttivät myös tarkkaa ennakkotyötä. Maanlaajuinen teleskooppiverkosto paransi planeetan ratatietoja ja lähiohituksen ajoitusta niin, että Webb voitiin suunnata paikalle juuri lyhyen, ratkaisevan havaintoikkunan ajaksi . Yhdessä maanpäälliset mittaukset ja avaruusteleskoopin herkkyys mahdollistavat sen, että kaukaisen planeetan rajusta säästä voidaan rakentaa lähes reaaliaikainen kuva.