「ホットジュピター」の暗黒面が初めて詳細に明らかに

Sep 18, 2023

2022 年 2 月 21 日

マサチューセッツ工科大学ジェニファー・チュー著

MITの天文学者らは、恒星に「潮汐的に固定」されている系外惑星の永遠の暗黒面をこれまでで最も鮮明に捉えた。 彼らの観測は、惑星の永続的な昼側の測定と組み合わされて、系外惑星の全球大気の初めての詳細なビューを提供する。

マサチューセッツ工科大学カブリ天体物理学研究所の博士研究員として研究を率いたトーマス・ミカル・エバンス氏は、「私たちは現在、系外惑星大気の特定領域の個別のスナップショットを撮るだけでなく、それらを実際の3Dシステムとして研究する段階に進んでいる」と語る。研究。

『Nature Astronomy』に掲載されたこの新しい研究の中心となる惑星は、木星のほぼ2倍の大きさの巨大ガス惑星であるWASP-121bである。 この惑星は超高温の木星で、地球から約 850 光年離れた恒星の周回軌道上で 2015 年に発見されました。 WASP-121b はこれまでに検出された中で最も短い軌道の 1 つで、わずか 30 時間で恒星を一周します。 また、潮汐も固定されており、星に面した「昼」面は永久に焙煎され、「夜」面は永遠に宇宙に向けられます。

「ホットジュピターは昼側が非常に明るいことで有名ですが、夜側は別物です。WASP-121bの夜側は昼側の約10倍暗いです」と、共著者であるMITのTESSポスドク、タンス・デイラン氏は言う。研究。

天文学者らはこれまでに水蒸気を検出し、大気の温度が惑星の昼側の高度に応じてどのように変化するかを研究していた。

新しい研究では、より詳細な状況が明らかになりました。 研究者らは、日中から夜側への劇的な気温変化をマッピングし、これらの気温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、水が惑星の昼側と夜側の間でどのように循環するかを初めて明らかにした。

地球上では、水は最初に蒸発し、次に雲に凝縮し、その後雨が降り注ぐという循環をしていますが、WASP-121b では水の循環がはるかに激しくなっています。日中は、水を構成する原子が 3,000 度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、そこでより低い温度により水素と酸素原子が再結合して水分子になり、その後昼側に吹き戻され、そこでサイクルが再び始まります。

研究チームは、惑星の水循環は、最大秒速5キロメートル、つまり時速1万1000マイル以上の速度で惑星の周りの原子を吹き飛ばす風によって維持されていると計算している。

また、地球上を循環しているのは水だけではないようです。 天文学者らは、夜側は鉄やコランダム（ルビーやサファイアを構成する鉱物）のエキゾチックな雲を形成するのに十分なほど寒いことを発見した。 これらの雲は水蒸気のように昼側に飛び回り、高温により金属が気化してガス状になる可能性があります。 途中、コランダムの雲からの液体宝石など、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、私たちは系外惑星の気象学を地球規模で把握できるようになりました」とミカル・エバンス氏は言う。

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、その他の機関の共同研究者が含まれています。

研究チームは、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 を観察しました。 この機器は惑星とその恒星からの光を観測し、その光を構成波長に分解し、その強度から天文学者は大気の温度と組成を知る手がかりを得ることができます。

科学者たちは分光学的研究を通じて、多くの系外惑星の昼側の大気の詳細を観察してきました。 しかし、夜の側でも同じことを行うのははるかに困難で、惑星が恒星の周りを回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ためです。

新しい研究のため、研究チームはWASP-121bを2回の全軌道（1回目は2018年、もう1回目は2019年）を通じて観察した。どちらの観察でも、研究者らは光データを通して、存在を示す特定の線またはスペクトル特徴を調べた。水蒸気の。

「私たちはこの水の特徴を観察し、それが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・エバンス氏は言う。 「これは、惑星の大気の温度が高度の関数としてどのような影響を及ぼしているかについての情報をエンコードしています。」

水の変化の特徴は、チームが昼側と夜側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、昼側が観測可能な最も深い層で 2,500 ケルビンから最上層で 3,500 ケルビンまでの範囲であることを発見しました。 夜の側は、最深層で 1,800 ケルビンから上層大気で 1,500 ケルビンまでの範囲でした。 興味深いことに、気温プロファイルは反転しているように見え、昼側では高度が上がるにつれて上昇し（気象学の用語では「熱の逆転」）、夜側では高度とともに低下します。

次に研究者らは、温度マップをさまざまなモデルに渡し、特定の高度と温度を考慮して、地球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、夜側に鉄、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。

研究チームは、温度マッピングから、この惑星の最も熱い領域が恒星の真下の「亜星」領域の東に移動していることも観察した。 彼らは、この変化は極度の風によるものであると推測しました。

「ガスは星準点で加熱されますが、宇宙に再放射される前に東に吹き飛ばされます」とミカル・エバンス氏は説明する。

研究チームは、変化の大きさから風速が秒速約5キロメートルに達すると推定している。

「これらの風はジェット気流よりもはるかに速く、おそらく約20時間で地球全体に雲を移動させることができます」と、NASAのMIT主導のミッションであるTESSを使用して地球に関するこれまでの研究を主導したデイラン氏は言います。

天文学者らは今年後半にWASP-121bを観測するためにジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で時間を確保しており、水蒸気だけでなく大気中に存在すると科学者らが疑っている一酸化炭素の変化を地図に載せたいと考えている。

「この惑星の大気中で炭素を含む分子を測定できたのはこれが初めてでしょう」とミカル・エバンス氏は言う。 「大気中の炭素と酸素の量は、この種の惑星がどこで形成されるかを知る手がかりになります。」

詳しくは：トーマス・ミカル・エヴァンス、超高温の巨大系外惑星 WASP-121b の成層圏の日周変化、Nature Astronomy (2022)。 DOI: 10.1038/s41550-021-01592-w。 www.nature.com/articles/s41550-021-01592-w

雑誌情報:自然天文学

マサチューセッツ工科大学提供