James Webb avslöjar exoplaneten HD 80606 b:s extrema årstider

HD 80606 b har ett klimat som knappast går att jämföra med något i vårt solsystem. Den avlägsna gasjätten färdas i en extremt utdragen bana runt en solliknande stjärna och passerar med bara 111 dagars mellanrum genom en våldsam värmepuls.

När planeten närmar sig sin stjärna visar NASA:s James Webb-teleskop hur temperaturen skjuter i höjden med omkring 1 100 grader Fahrenheit – motsvarande ungefär 600 grader Celsius – på kort tid . Det är första gången forskare så detaljerat kan följa hur en exoplanets atmosfär förändras kemiskt medan uppvärmningen pågår.

En planet med kometliknande bana

HD 80606 b är inte en typisk het Jupiter. De flesta sådana gasjättar kretsar nära sina stjärnor i relativt cirkulära banor. HD 80606 b har däremot en excentricitet på omkring 0,93, vilket innebär att banan är nästan lika utdragen som en komets .

På sin längsta sträcka befinner sig planeten omkring 0,88 astronomiska enheter från stjärnan. När den når sin periastron – den punkt där den är som närmast – krymper avståndet till bara 0,03 astronomiska enheter . Det motsvarar ungefär 2,8 miljoner miles från stjärnans yta under den nära passagen .

Skillnaden får dramatiska följder: mängden strålning som träffar planeten ökar nästan tusenfalt under dess 111 dagar långa omlopp . NASA:s tidigare Spitzer-observationer beskrev uppvärmningen som en sorts ”super-sommardag” och visade hur en kraftig storm kunde utvecklas efter värmepulsen .

Webb följer atmosfärens kemi i realtid

För att fånga förändringen använde astronomerna Webbs nära-infraröda spektrograf NIRSpec i läget G395H. Teleskopet observerade planeten under ett 21 timmar långt fönster kring den förmörkelse som inträffar strax före den närmaste passagen .

När HD 80606 b fortfarande var relativt sval hade dess emissionsspektrum en nästan helt slät form, ungefär som en svartkroppsstrålare. Det tydde på en atmosfär som var svår att se igenom i de aktuella våglängderna.

Men när planeten rusade mot stjärnan förändrades bilden. Spektrumet började visa tydliga molekylära fingeravtryck. Forskarna kunde identifiera absorption från:

• metan (CH₄), med signifikans på 3,7–4,8 sigma efter passagen,
• kolmonoxid (CO), med 3,4 sigma,
• vattenånga (H₂O), med 3,1 sigma .

Det viktiga är inte bara vilka ämnen som finns där, utan när signalerna blir synliga. Sekvensen visar att atmosfärens kemi är tidsberoende och reagerar på den plötsliga uppvärmningen under loppet av timmar.

Ingen stark temperaturinversion

Observationerna gav också ett resultat som gick emot vissa tidigare modeller. Forskarna kunde utesluta en kraftig temperaturinversion – ett atmosfäriskt skikt där temperaturen ökar med höjden – som hade förutspåtts för planeten .

Sådana inversioner förekommer på andra intensivt bestrålade heta Jupitrar. På HD 80606 b kan uppvärmningen däremot vara för kortvarig för att bygga upp ett stabilt varmt skikt högt i atmosfären. En annan möjlighet är att planetens atmosfäriska rörelser fördelar värmen så effektivt att inversionen aldrig hinner etableras.

Från att mäta värme till att läsa av kemi

Spitzer gav forskarna den första tydliga bilden av hur HD 80606 b:s infraröda värmestrålning förändras under den nära passagen. Under omkring 30 timmars observationer kunde teleskopet följa en global värmepuls och de vädermönster som följde .

Webb tar nästa steg. Genom spektroskopi kan teleskopet inte bara mäta hur varm planeten är, utan också undersöka vilka molekyler som påverkar ljuset från atmosfären. Transmission­spektroskopi och emissionsspektroskopi gör det möjligt att koppla samman temperatur, kemisk sammansättning och atmosfärisk dynamik .

För att Webb skulle träffa den korta och kritiska observationsperioden behövde astronomerna först förbättra beräkningarna av planetens omloppsbana. Ett globalt nätverk av teleskop minskade osäkerheten i tidpunkten för planetens passage från tiotals minuter till bara några minuter .

Ett extremt laboratorium för exoplanetforskning

HD 80606 b:s så kallade effektiva temperatur kan stiga från omkring 400 kelvin till över 1 400 kelvin på bara några timmar . Den snabba förändringen förväntas skapa stötvågor, kraftig turbulens och vädermönster som är svåra att simulera .

Det gör planeten till ett naturligt laboratorium för frågor om hur gasjättars atmosfärer fungerar när förhållandena förändras extremt snabbt. Webb har också studerat andra märkliga världar, bland annat den ultrah heta WASP-121 b och den mer tempererade gasjätten TOI-199 b . Men HD 80606 b sticker ut genom att dess starkt elliptiska bana driver en fullständig, tidsupplöst förändring av atmosfärens kemi.

Genom att följa planeten före, under och efter dess stjärnnära passage har Webb i praktiken fångat en filmsekvens av ett främmande klimat. På en enda dag genomgår HD 80606 b förändringar som saknar motsvarighet i jordens långsammare klimatsystem.

Resultatet visar samtidigt varför exoplanetforskning kräver både rymdteleskop och noggranna observationer från marken. Förberedelserna på jorden hittade rätt tidpunkt – och James Webb kunde sedan läsa av hur en hel atmosfär reagerar när en gasjätte kastas in i sin egen kosmiska värmechock.