ستاره شناسان مدت هاست که سیارات فراخورشیدی دوردست را با خطوط صاف و گرد به تصویر کشیده اند. اما مشاهدات جدید نشان می‌دهد که اتمسفر اطراف برخی از این جهان‌های بیگانه می‌تواند به‌طور شگفت‌آوری نامنظم داشته باشد.
محققان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ناسا دریافته‌اند که اتمسفر WASP-17b، سیاره‌ای غول‌پیکر که تقریباً 1300 سال نوری از زمین فاصله دارد، در یک طرف بیشتر از طرف دیگر گسترش یافته است. اگرچه طرح کلی آن تقریبا دایره ای است، اما جو آن به طور قابل توجهی نامتقارن است. این اعوجاج شواهد جدیدی از چگونگی تغییر دماهای شدید و بادهای قدرتمند جو سیارات دوردست ارائه می دهد.
این کشف، منتشر شده در نجوم طبیعی، برگرفته از مطالعه ای است که به طور مشترک توسط دانشگاه کورنل در ایالات متحده و دانشگاه بریستول در انگلستان انجام شده است. محققان از روشی نوآورانه به نام «رشته‌های انتقال» که توسط اخترفیزیکدانان بریستول، دکتر دیوید گرانت و دکتر هانا ویکفورد توسعه داده شده است، برای مطالعه ساختار جوی سیاره با جزئیات بی‌سابقه استفاده کردند.
جیمز وب ساختار سه بعدی یک فضای بیگانه را آشکار می کند
WASP-17b متعلق به دسته‌ای از سیارات است که به نام «مشتری داغ» شناخته می‌شوند، غول‌های گازی عظیمی که نزدیک به ستاره‌های میزبان خود می‌چرخند و گرمای شدیدی را تجربه می‌کنند. شکل جوی غیرمعمول آن دیدگاه جدیدی در مورد چگونگی حرکت گرما در این جهان های شدید ارائه می دهد.
نویسنده اصلی، دکتر لیلی آلدرسون، همکار فوق دکترای کلارمن در دانشگاه کرنل، این تحقیق را در حین تحصیل در دانشگاه بریستول آغاز کرد، جایی که دکترای خود را در فیزیک دریافت کرد.
“این دلیلی بر این مفهوم است که سیارات در واقع اجرام سه بعدی هستند، و زمانی که آنها به دور ستاره خود می چرخند، آنچه ما پیش بینی می کنیم باید اتفاق بیفتد اتفاق می افتد. فراتر از تمرین های محاسباتی و دیدن واقعی آن موضوع متفاوتی است.”
مشاهدات اطلاعات ارزشمندی در مورد شیمی جو و تغییرات دمایی WASP-17b، از جمله تفاوت بین استوا و قطب ها و بین نیمکره های همیشه روشن و تاریک ارائه می دهد.
این نتایج با پیش بینی های نظری قبلی و مدل های کامپیوتری بسیار سازگار است. آنها با هم یکی از دقیق ترین عکس های سه بعدی از جو یک سیاره فراخورشیدی را ارائه می دهند که تا به حال یک نقطه شروع مفید برای مطالعه بیش از 6000 سیاره فراخورشیدی که تا به امروز تایید شده اند ایجاد می کند.
دکتر هانا ویکفورد، دانشیار اخترفیزیک در دانشگاه بریستول، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: “سیارات مزاجی هستند، جو آنها پیچیده و آشفته است. این واقعیت که همه این اعداد گرد هم آمده اند تا این تصویر بسیار ساختاریافته و پویا از این جهان غول پیکر را که بیش از 1000 سال نوری از ما فاصله دارد، به ما نشان دهند، واقعا هیجان انگیز بود.”
تکنیک جدید ویژگی های جوی پنهان را آشکار می کند
حساسیت فوق‌العاده جیمز وب به دانشمندان این امکان را داده است تا با استفاده از روشی به نام نقشه‌برداری کسوف، جوهای فرازمینی را مطالعه کنند. این رویکرد تغییرات ظریف در نور را در حین حرکت سیاره پشت ستاره مادرش بررسی می‌کند و به محققان کمک می‌کند تا تعیین کنند شرایط در سیاره چگونه متفاوت است.
تکنیک جدید «رشته انتقال» که نقشه‌برداری ترانزیت نیز نامیده می‌شود، قسمت مخالف مدار سیاره را بررسی می‌کند. هنگامی که یک سیاره فراخورشیدی از مقابل ستاره خود می گذرد، مقداری از نور ستاره قبل از رسیدن به تلسکوپ از لبه های بیرونی جو آن عبور می کند.
با تجزیه و تحلیل این نور از زوایای مختلف، دانشمندان می توانند ترکیب اتمسفر را مطالعه کرده و تعیین کنند که تا چه اندازه در نقاط مختلف سیاره گسترش می یابد. این مرز اتمسفر خارجی به عنوان اندام شناخته می شود.
روش‌های سنتی معمولاً اندازه‌گیری‌های نور را از کل اندام در یک طیف متوسط ترکیب می‌کنند. در عوض، رویکرد جدید اطلاعات را از مناطق مختلف جدا می‌کند و به محققان این امکان را می‌دهد تا تغییرات جوی را که در غیر این صورت پنهان می‌شدند شناسایی کنند.
دکتر آلدرسون گفت: “به جای فرض اینکه جو شما دایره ای با شعاع یکسان در همه جا است، تکنیک ما به شما امکان می دهد فواصل مختلفی را از مرکز تا لبه سیاره ترسیم کنید.” “ما می‌توانیم از لبه دور شویم. بنابراین ما از یک حلقه به درک جایی که جواهرات روی حلقه هستند، رفته‌ایم.”
بادهای قوی فضایی منحرف ایجاد می کند
اندازه‌گیری‌های جدید ویژگی جالب توجهی را در نزدیکی استوای WASP-17b نشان داد، دقیقاً همان جایی که مدل‌های قبلی پیش‌بینی می‌کردند که ظاهر شود.
این اعوجاج در سمت “عصر” سیاره رخ می دهد، جایی که بادهای جوی قدرتمند گرما را از نیمکره ای که دائماً رو به ستاره خود است به نیمکره ای که در تاریکی محبوس شده است منتقل می کند.
این حرکت گاز داغ باعث می‌شود که اتمسفر سمت غروب بیشتر از سمت خنک‌تر «صبح» به بیرون گسترش یابد. در نتیجه، کانتور جو سیاره کاملاً متقارن نیست.
یافته ها پیش بینی زیادی از تفاوت دما بین این مناطق را تأیید می کند. اندازه‌گیری‌های نگاشت حمل‌ونقل از دیگر ویژگی‌های شناسایی شده قبلی WASP-17b نیز پشتیبانی می‌کنند.
دکتر آلدرسون افزود: «تئوری پیش‌بینی می‌کند که دو طرف صبح و عصر باید اختلاف دمایی قوی داشته باشند، و WASP-17b به خوبی با این روند مطابقت دارد – تقریباً آنچه را که ما فکر می‌کردیم منفجر می‌کند.»
پیشرفت در نقشه برداری آب و هوای سیارات دور
کاربرد موفقیت‌آمیز رشته‌های انتقال در WASP-17b نشان می‌دهد که می‌توان از این تکنیک برای مطالعه جو بسیاری از سیارات فراخورشیدی دیگر استفاده کرد.
تا همین اواخر، بسیاری از آنچه که ستاره شناسان می توانستند در مورد این جوهای دوردست تعیین کنند، از اندازه گیری های میانگین در مناطق بزرگ ناشی می شد. روش جدید راهی برای تمایز بین شرایط در عرض های جغرافیایی مختلف و همچنین بین روز و شب سیاره ارائه می دهد.
در نهایت، این رویکرد می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا ساختارهای جوی را در مقیاس‌های کوچک‌تر مطالعه کنند و آنها را به نقشه‌برداری الگوهای آب‌وهوا در جهان‌های بسیار فراتر از منظومه شمسی نزدیک‌تر کند.
دکتر ویکفورد گفت: “داشتن این مدل ریاضی بسیار قوی که می‌توانیم آن را در این داده‌های پیشرفته اعمال کنیم، فوق‌العاده هیجان‌انگیز است. نتایج نمایش واقعاً زیبایی از پویایی در این جهان‌های چند بعدی و چند وجهی است.”
این مطالعه از مشاهدات جمع‌آوری‌شده از طریق برنامه رصد زمان تضمین‌شده توسط دانشمندان تلسکوپ JWST استفاده کرد.
بودجه توسط ناسا، شورای تأسیسات علم و فناوری انگلستان برای تحقیق و نوآوری (UKRI) (STFC) و بورس تحصیلی Klarman ارائه شده است.
