Vloeibaar metaal, robijn en saffier kunnen neerregenen op een halve bol van een zinderend hete gigantische exoplaneet die getijde is opgesloten in een strakke baan rond zijn ster. Dat is de conclusie van astronomen die een gedetailleerd 3D-model hebben ontwikkeld van de atmosfeer van WASP-121b, een 'hete Jupiter' die zich op ongeveer 850 lichtjaar van de aarde bevindt. Hun studie onthult ook hoe water en metaal worden getransporteerd tussen de warme en koude kanten van de exoplaneet.
Het team van het Massachusetts Institute of Technology observeerde WASP-121b met behulp van een spectroscopische camera aan boord van NASA's Hubble Space Telescope. De exoplaneet is iets massiever dan Jupiter en staat zo dicht bij zijn moederster dat hij in slechts 30 uur een baan voltooit, een van de kortste banen die astronomen ooit hebben ontdekt.
Het team bestudeerde zowel de nachtzijde van de exoplaneet – die altijd van de ster afgekeerd is – als de zinderend hete dagzijde, die altijd naar de ster is gericht. Dankzij hun waarnemingen konden ze de atmosfeer van de gasreus-exoplaneet modelleren. Bovendien is het team de eerste die de watercyclus volgt op een planeet buiten het zonnestelsel. Hun studie onthult omstandigheden die zo extreem zijn dat de hete nachtzijde van Jupiter regen van vloeibaar metaal, robijn en saffier kan ervaren.
“Alleen al door de dagtemperatuur van een exoplaneet te meten, krijg je een onvolledig beeld van het mondiale klimaat op de planeet. Inzicht in de nachtkant vult deze kennislacune op”, teamlid Tansu Daylan vertelt Natuurkunde wereld. Hij voegt eraan toe dat het team het spectrum van de exoplaneet onder alle kijkhoeken heeft gemeten, niet alleen de donkere kant, en vervolgens een temperatuurkaart heeft afgeleid.
Regenend metaal
De nabijheid van de exoplaneet tot zijn ster en het feit dat deze getijde-locked is, resulteert in extreme omstandigheden, met temperaturen tot 3500 K aan de dagzijde. Dit is heet genoeg om metalen te verdampen. Daylan voegt eraan toe dat eerdere studies de aanwezigheid van metalen in de dagatmosfeer hebben aangetoond. Dit betekent dat metalen wolken over het nachtelijke halfrond zouden worden geblazen door winden op de planeet van meer dan 18,000 km/u.
"Onze nieuwe gegevens gaven ons direct bewijs voor deze winden, omdat de heetste regio van de dagatmosfeer iets ten oosten van het 'middag'-punt precies onder de ster lag", zegt Thomas Mikal-Evans, die het onderzoek leidde. "Dit betekent dat het gas 's middags moet worden opgewarmd, maar vervolgens naar het oosten wordt geblazen voordat het de kans krijgt om opnieuw warmtestraling naar de ruimte uit te zenden."
Mikal-Evans, nu gevestigd bij het Max Planck Institute for Astronomy, zegt dat astronomen vóór de studie van het team ongebruikelijke waarnemingen hadden gedaan van de overgangslijn tussen de dag- en nachtzijde van WASP-121b - een gebied dat bekend staat als de dag-nachtterminator van de atmosfeer.
"Eerdere waarnemingen toonden aan dat titanium in de atmosfeer ontbrak, maar zijn chemische neef vanadium was aanwezig in de atmosfeer, voegt Mikal-Evans toe. "Aangezien deze twee atomen chemisch vergelijkbaar zijn, leek het vreemd dat we de ene wel zouden waarnemen, maar de andere niet".
Mikal-Evans voegt toe: "Onze nieuwe gegevens onthullen voor het eerst dat de temperaturen aan de nachtelijke halfrond laag genoeg dalen om titanium- en aluminiumgas te laten neerslaan en naar diepere lagen van de atmosfeer te regenen, terwijl vanadium neerslaat bij lagere temperaturen waardoor het moeilijker voor het om te regenen”.
Het feit dat de temperatuur laag genoeg daalt voor titanium- en aluminiumregen aan de nachtzijde, in combinatie met de afwezigheid van deze metalen in de gasfase bij de dag-nachtterminator, stelt het team in staat om te concluderen dat titanium en aluminium inderdaad op regen vallen. de nachtzijde.
Druppels robijn en saffier
Hij voegt eraan toe dat aluminium waarschijnlijk zou condenseren in de vorm van korund, een aluminiumoxide. Wanneer sporen van elementen zoals chroom, ijzer en titanium in korund worden opgenomen, wordt het de edelstenen robijn en saffier. "Dus het zou kunnen regenen druppels robijn en saffier op het nachtelijk halfrond."
Het team ontdekte ook dat de krachtige winden van de WASP-121b een watercyclus in stand houden door water van de dagzijde naar de nachtzijde van de gasreus te verplaatsen.
Het is niet verrassend dat de watercyclus van de exoplaneet veel dramatischer en gewelddadiger is dan die van de aarde. Mikal-Evans beschrijft het als "een gigantische transportband" die moleculen vervoert tussen de enorm verschillende hemisferen van WASP-121b.
Moleculen uit elkaar gescheurd
"We hebben kunnen waarnemen dat de meeste watermoleculen aan de dagzijde uit elkaar worden gescheurd omdat het zo heet is, terwijl degenen die dieper in de atmosfeer overleven, sterk gloeien op infrarode golflengten", zegt Mikal-Evans. "De waterstof- en zuurstofatomen van de ontregelde watermoleculen worden vervolgens naar het nachtelijk halfrond geblazen, waar de lagere temperaturen hen in staat stellen opnieuw te recombineren om opnieuw waterdamp te vormen voordat ze terug worden geblazen naar het halfrond aan de dagzijde om de cyclus te herhalen.”
Hubble detecteert stratosfeer hete exoplaneet
Het team heeft tijd gereserveerd op de nieuwe James Webb Space Telescope om WASP-121b nog gedetailleerder te bestuderen. Ze zijn van plan veranderingen waar te nemen in niet alleen waterdamp, maar ook in koolmonoxide, waarvan wordt aangenomen dat het zich in de atmosfeer van de exoplaneet bevindt.
"Naarmate onze technologie blijft verbeteren, kunnen we op een dag hopen iets soortgelijks te doen voor planeten die meer op onze eigen aarde lijken", besluit Mikal-Evans. "We zetten nog maar de eerste stappen op dit lange en uitdagende pad - maar we zijn zeker op weg!"
Het onderzoek is beschreven in Natuurastronomie.
De post Vloeibaar metaal, robijn en saffier kunnen neerregenen op enorme exoplaneet verscheen eerst op Natuurkunde wereld.
