Exoplaneet WASP-121 b is geen planeet zoals de aarde. Om te beginnen draait hij heel dicht om een ster die helderder en heter is dan de zon. De planeet staat zo gevaarlijk dicht bij zijn ster dat zijn bovenste atmosfeer extreem heet is, heter dan een stalen hoogoven. Een stortvloed van ultraviolet licht van de ster verhit de bovenste atmosfeer van de planeet, waardoor het magnesium- en ijzergas de ruimte in ontsnapt. Krachtige zwaartekracht-krachten van de ster hebben de vorm van de planeet veranderd, zodat hij nu meer de vorm van een rugbybal heeft. Door jarenlange waarnemingen van de Hubble-ruimtetelescoop te combineren met computermodellen, hebben astronomen nu bewijs gevonden voor het wervelen van enorme cyclonen op de helse planeet. De cyclonen worden herhaaldelijk gecreëerd en vernietigd door het grote temperatuurverschil tussen de sterzijde en de donkere nachtzijde van de exoplaneet.
Door jarenlange observaties van NASA's Hubble-ruimtetelescoop te combineren met computermodellen, hebben astronomen bewijs gevonden voor massale cyclonen en andere dynamische weersactiviteiten op een hete planeet ter grootte van Jupiter, 880 lichtjaar van ons vandaan. De planeet, WASP-121 b genaamd, is niet bewoonbaar. Maar dit resultaat is een belangrijke eerste stap in het bestuderen van weerpatronen op verre werelden en misschien uiteindelijk in het vinden van potentieel bewoonbare exoplaneten met een stabiel langetermijnklimaat.
De afgelopen decennia is uit gedetailleerde waarnemingen met telescopen en ruimtevaartuigen van naburige planeten in ons zonnestelsel gebleken dat hun turbulente atmosferen niet statisch zijn, maar voortdurend veranderen, net als het weer op aarde. Deze veranderlijkheid zou ook moeten gelden voor planeten rond andere sterren. Maar er zijn veel gedetailleerde waarnemingen en computermodellen nodig om dergelijke veranderingen daadwerkelijk te kunnen meten. Voor deze ontdekking heeft een internationaal team van astronomen Hubble-waarnemingen van WASP-121 b uit 2016, 2018 en 2019 samengevoegd en opnieuw verwerkt. Ze ontdekten dat de planeet een dynamische atmosfeer heeft, die in de loop van de tijd verandert. Het team gebruikte geavanceerde modelleringstechnieken om aan te tonen dat deze dramatische temporele variaties konden worden verklaard door weerpatronen in de atmosfeer van de exoplaneet.
Het team ontdekte dat de atmosfeer van WASP-121 b opmerkelijke verschillen vertoont tussen waarnemingen. Het meest dramatisch is dat er enorme weerfronten, stormen en zware cyclonen zouden kunnen zijn die herhaaldelijk worden gecreëerd en vernietigd door het grote temperatuurverschil tussen de naar de ster gerichte kant en de donkere kant van de exoplaneet. Ze ontdekten ook een schijnbare offset tussen het heetste gebied van de exoplaneet en het punt op de planeet dat het dichtst bij de ster ligt, evenals variabiliteit in de chemische samenstelling van de atmosfeer van de exoplaneet (zoals gemeten via spectroscopie).
Het team kwam tot deze conclusies door computermodellen te gebruiken om de waargenomen veranderingen in de atmosfeer van de exoplaneet te helpen verklaren. "Dankzij de opmerkelijke details van onze simulaties van de atmosfeer van exoplaneten kunnen we het weer op ultrahete planeten zoals WASP-121 b nauwkeurig modelleren," legt Jack Skinner uit, postdoc aan het California Institute of Technology in Pasadena, Californië, en co-leider van dit onderzoek. "Hier maken we een belangrijke stap voorwaarts door observatiebeperkingen te combineren met atmosfeersimulaties om het in de tijd veranderende weer op deze planeten te begrijpen."
"Dit is een enorm opwindend resultaat voor de toekomst van het observeren van weerpatronen op exoplaneten," zei een van de hoofdonderzoekers van het team, Quentin Changeat, een onderzoeksmedewerker van de European Space Agency (ESA) bij het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. "Het bestuderen van het weer op exoplaneten is van vitaal belang om de complexiteit van de atmosferen op andere werelden te begrijpen, vooral bij de zoektocht naar exoplaneten met bewoonbare omstandigheden."
WASP-121 b staat zo dicht bij zijn moederster dat de omlooptijd slechts 1,27 dagen is. Deze nabijheid betekent dat de planeet tidally locked is, zodat altijd hetzelfde halfrond naar de ster gericht is, net zoals onze maan altijd dezelfde kant naar de aarde heeft. De dagtemperaturen benaderen de 3.450 graden Fahrenheit (2.150 graden Kelvin) aan de kant van de planeet die naar de ster is gericht. Het team gebruikte vier sets Hubble-archiefwaarnemingen van WASP-121 b. De volledige dataset bevatte waarnemingen van WASP-121 b die voor zijn ster langs draait (genomen in juni 2016); WASP-121 b die achter zijn ster langs draait, ook wel een secundaire eclips genoemd (genomen in november 2016); en de helderheid van WASP-121 b als functie van zijn fasehoek ten opzichte van de ster (de variërende hoeveelheid licht die op aarde wordt ontvangen van een exoplaneet terwijl deze rond zijn moederster draait, vergelijkbaar met de fasecyclus van onze maan). Deze gegevens zijn respectievelijk genomen in maart 2018 en februari 2019.
"De verzamelde dataset vertegenwoordigt een aanzienlijke hoeveelheid waarneemtijd voor een enkele planeet en is momenteel de enige consistente set van dergelijke herhaalde waarnemingen," zei Changeat. De informatie die we uit deze waarnemingen haalden, werd gebruikt om de chemie, temperatuur en wolken van de atmosfeer van WASP-121 b op verschillende tijdstippen af te leiden. Dit leverde ons een prachtig beeld op van de planeet die in de loop van de tijd verandert."
De unieke capaciteiten van Hubble komen ook tot uiting in het brede scala aan wetenschappelijke programma's waarmee de waarnemingen in Cyclus 31, die op 1 december van start is gegaan, zullen worden uitgevoerd. Ongeveer tweederde van de tijd van de Hubble-telescoop zal worden besteed aan beeldvormende studies, terwijl de rest van de tijd wordt gereserveerd voor spectroscopische studies, zoals die voor WASP-121 b. Meer details over de wetenschap van cyclus 31 zijn te vinden in een recente aankondiging.
De Hubble-ruimtetelescoop is een project van internationale samenwerking tussen NASA en ESA. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, beheert de telescoop. Het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, voert de wetenschappelijke werkzaamheden aan de Hubble- en Webb-telescoop uit. STScI wordt voor NASA beheerd door de Association of Universities for Research in Astronomy in Washington D.C.
Bron: Hubblesite
