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鉄の雲、チタンの雨、そして極端な風

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(oneechanblog) – WASP-121に対するアーティストの印象b。 クレジット:Mikal Evans

惑星の夜側は、おそらく地球のジェット気流を矮小化する鉄の雲、チタンの雨、そして風をホストしています。

MITの天文学者は、その星に「きちんと固定されている」太陽系外惑星の永続的な暗い側面について、これまでで最も鮮明なビューを取得しました。彼らの観測は、惑星の恒久的な日側の測定と組み合わされて、太陽​​系外惑星の全球大気の最初の詳細なビューを提供します。

「私たちは現在、太陽系外惑星の大気の特定の領域の孤立したスナップショットを撮るだけでなく、それらを真の3Dシステムとして研究しています」とMITのKavli Astrophysics andSpace研究所のポスドクとして研究を主導したThomasMikal-Evansは述べています。リサーチ。

2022年2月21日にネイチャーアストロノミーで発表された新しい研究の中心にある惑星は、木星のほぼ2倍の大きさの巨大なガス巨人であるWASP-121bです。惑星は超高温の木星であり、地球から約850光年離れた星を周回する2015年に発見されました。 WASP-121bは、これまでに検出された最短軌道の1つであり、わずか30時間でその星を周回しています。また、星に面した「昼」側が恒久的に焙煎され、「夜」側が永遠に宇宙に向けられるように、きちんとロックされています。

「ホットジュピターは非常に明るい日中の側面があることで有名ですが、夜の側面は別の獣です。 WASP-121bの夜側は、昼側の約10倍暗いです」と、NASAのMIT主導のミッションであるTESSに取り組んでいるMITのポスドクであるTansuDaylan氏は述べています。

天文学者は以前に水蒸気を検出し、惑星の日側の高度によって大気温度がどのように変化するかを研究していました。

新しい研究は、はるかに詳細な画像をキャプチャします。研究者たちは、昼から夜への劇的な温度変化をマッピングし、これらの温度が高度とともにどのように変化するかを確認することができました。彼らはまた、大気中の水の存在を追跡して、惑星の昼と夜の間で水がどのように循環しているかを初めて示しました。

地球上では、水循環は最初に蒸発し、次に雲に凝縮し、次に雨が降ることによって循環します。WASP-121bでは、水循環ははるかに激しくなります。日中、水を構成する原子は3,000を超える温度で引き裂かれます。ケルビン。これらの原子は夜側に吹き飛ばされ、気温が低いと水素原子と酸素原子が再結合して水分子になり、昼側に吹き戻されてサイクルが再開されます。

チームは、惑星の水循環は、毎秒最大5キロメートル、または時速11,000マイル以上の速度で惑星の周りの原子を鞭打つ風によって維持されていると計算しています。

また、地球の周りを循環しているのは水だけではないようです。天文学者は、夜側が鉄とコランダムのエキゾチックな雲をホストするのに十分に冷たいことを発見しました—ルビーとサファイアを構成する鉱物。これらの雲は、水蒸気のように、高温が金属をガスの形に気化させる日側に渦巻く可能性があります。途中、コランダム雲からの液体の宝石など、エキゾチックな雨が降る可能性があります。

「この観測により、私たちは太陽系外惑星の気象学の世界的な見方を実際に得ています」とミカル・エバンスは言います。

この研究の共著者には、MIT、ジョンズホプキンス大学、カリフォルニア工科大学、およびその他の機関の共同研究者が含まれています。

昼と夜

チームは、NASAのハッブル宇宙望遠鏡に搭載された分光カメラを使用してWASP-121bを観測しました。この機器は、惑星とその星からの光を観測し、その光をその構成波長に分解します。その強度は、天文学者に大気の温度と組成の手がかりを与えます。

分光学的研究を通じて、科学者は多くの太陽系外惑星の昼側の大気の詳細を観察しました。しかし、夜の側でも同じことを行うのははるかに難しいです。惑星が星を一周するときに、惑星のスペクトル全体の小さな変化を監視する必要があるからです。

新しい研究では、チームは2つの全軌道でWASP-121bを観測しました。1つは2018年、もう1つは2019年です。両方の観測で、研究者は光データを調べて、存在を示す特定の線またはスペクトルの特徴を調べました。水蒸気の。

「私たちはこの水の特徴を見て、惑星の軌道のさまざまな部分でどのように変化するかをマッピングしました」とミカルエバンスは言います。 「これは、惑星の大気の温度が高度の関数として何をしているかについての情報をエンコードします。」

水の変化の特徴は、チームが昼と夜の両方の温度プロファイルをマッピングするのに役立ちました。彼らは、日中の範囲が、最も深い観測可能な層での2,500ケルビンから、最上層での3,500Kまでの範囲であることを発見しました。夜側は、最深層の1,800Kから上層大気の1,500Kまでの範囲でした。興味深いことに、気温プロファイルは、昼側の高度とともに上昇し、気象学的には「熱逆転層」であり、夜側の高度とともに下降するように見えました。

次に、研究者は温度マップをさまざまなモデルに通して、特定の高度と温度が与えられた場合に、惑星の大気中に存在する可能性のある化学物質を特定しました。このモデリングにより、夜側の鉄、コランダム、チタンなどの金属雲の可能性が明らかになりました。

チームは、温度マッピングから、惑星の最も高温の領域が、星の真下の「亜恒星」領域の東に移動していることも観察しました。彼らは、この変化は極端な風によるものであると推測しました。

「ガスは星下の地点で加熱されますが、宇宙に再放射する前に東向きに吹き飛ばされています」とミカル・エバンスは説明します。

シフトのサイズから、チームは風速が毎秒約5キロメートルでクロックインすると推定します。

「これらの風は私たちのジェット気流よりもはるかに速く、おそらく約20時間で惑星全体に雲を移動させることができます」とTESSを使用して惑星で以前の研究を主導したDaylanは言います。

天文学者は ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡は、今年後半にWASP-121bを観測し、水蒸気だけでなく一酸化炭素の変化をマッピングすることを望んでいます。これは、科学者が大気中に存在するはずだと考えています。

「この惑星の大気中の炭素含有分子を測定できるのはこれが初めてです」とミカル・エバンスは言います。 「大気中の炭素と酸素の量は、これらの種類の惑星がどこに形成されるかについての手がかりを提供します。」

参照:Thomas Mikal-Evans、David K. Sing、Joanna K. Barstow、Tiffany Kataria、Jayesh Goyal、Nikole Lewis、Jake Taylor、Nathan J. Mayneによる「超高温の巨大太陽系外惑星WASP-121bの成層圏の日変化」 Tansu Daylan、Hannah R. Wakeford、Mark S. Marley、Jessica J. Spake、2022年2月21日、ネイチャーアストロノミー。
DOI:10.1038 / s41550-021-01592-w

この研究は、宇宙望遠鏡科学研究所からの助成金を通じて、NASAによって部分的にサポートされました。

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