Para astronom yang menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) telah menemukan perbedaan mencolok antara wilayah fajar dan senja di planet ekstrasurya ultra-panas WASP-121 b. Zona batas ini, yang disebut terminator, menandai transisi antara sisi siang permanen planet ini dan sisi malam permanennya. Hasilnya memberikan bukti paling jelas bahwa kedua wilayah tersebut memiliki suhu dan komposisi atmosfer yang berbeda, membenarkan prediksi yang sebelumnya hanya ada dalam model teoretis.
Penemuan ini berasal dari pengukuran cahaya inframerah dari bintang-bintang yang melewati atmosfer planet saat WASP-121 b melintas di depan bintang inangnya. Dengan memeriksa bagaimana atmosfer menyaring cahaya ini selama transit, para peneliti menemukan pola penyerapan yang tidak merata.
Menurut tim, asimetri ini paling baik dijelaskan oleh perbedaan suhu dan kandungan kimia antara sisi pagi dan sore hari di planet ini.
“Berkat kualitas observasi yang belum pernah ada sebelumnya, JWST memberi kita gambaran sekilas paling detail tentang planet-planet jauh hingga saat ini: dengan mengukur perubahan serapan cahaya bintang selama rotasi WASP-121 b, kami menyelidiki garis bujur atmosfernya,” kata Cyril Gapp, MPIA.
Pengamatan menunjukkan bahwa terminator malam menyerap lebih banyak cahaya dibandingkan terminator pagi. Hal ini sesuai dengan gagasan terkini tentang angin atmosfer yang kuat yang memindahkan panas dari siang hari yang sangat panas ke malam hari yang lebih dingin. Karena angin ini bergerak ke arah timur searah rotasi planet, maka pemanasan wilayah malam hari menjadi lebih kuat.
Saat suhu naik, atmosfer mengembang. Atmosfer yang lebih besar memberikan penampang cahaya bintang yang lebih besar, sehingga memungkinkannya menyerap lebih banyak radiasi.
Data yang dikumpulkan dengan instrumen NIRSpec (spektrograf inframerah dekat) JWST juga mengungkapkan sinyal karbon monoksida (CO) yang lebih kuat menjelang akhir transit. Para peneliti yakin perubahan ini disebabkan oleh pengaruh suhu, bukan peningkatan kelimpahan karbon monoksida.
Air (H2O) menceritakan kisah yang berbeda. Pengamatan menunjukkan bahwa jumlah molekul air menjadi berkurang di wilayah atmosfer yang lebih hangat. Para ilmuwan menafsirkan hal ini sebagai penurunan jumlah air yang sebenarnya, karena suhu di bagian atas atmosfer cukup tinggi untuk memecah molekul air menjadi bagian-bagian penyusunnya. Temuan ini memberikan bukti lebih lanjut bahwa angin hangat menghangatkan terminator malam hari.
Planet yang siang dan malamnya permanen
Mendeteksi perbedaan atmosfer yang halus memerlukan pemanfaatan fitur yang umum terjadi pada raksasa gas di orbit dekat.
Seiring berjalannya waktu, gaya pasang surut menyinkronkan rotasi planet dengan orbitnya, sehingga satu rotasi memerlukan waktu yang sama dengan perjalanan mengelilingi bintangnya. Akibatnya, satu belahan bumi terus-menerus menghadap bintang sementara belahan bumi lainnya tetap berada dalam kegelapan abadi.
“WASP-121b sangat ekstrim, dengan suhu rata-rata di belahan bumi siang hari sekitar 2.770 Kelvin, sedangkan suhu di belahan bumi malam mendekati sekitar 1.000 Kelvin,” kata rekan penulis Tom Evans-Soma dari Universitas Newcastle, Australia. Ia telah menentukan kisaran suhu planet dan juga berafiliasi dengan MPIA.
Suhu ini setara dengan hampir 2.500 derajat Celcius (4.525 derajat Fahrenheit) pada siang hari dan sekitar 725 derajat Celcius (1.340 derajat Fahrenheit) pada malam hari.
Saat planet melintasi bintangnya, ia berputar sedikit antara awal dan akhir peristiwa. Rotasi kecil ini memungkinkan para astronom mengamati berbagai bagian atmosfer. Meskipun sebagian besar sisi malam tetap terlihat, para ilmuwan juga dapat melihat bagian dari wilayah fajar dan senja dan, tergantung pada tahap transit, bahkan wilayah kecil yang lebih dekat ke sisi siang hari.
Sisi depan orbit berhubungan dengan terminator pagi, sedangkan sisi belakang berhubungan dengan terminator malam.
Mengubah waktu transit menjadi peta atmosfer
Untuk mempelajari atmosfer, para peneliti menganalisis evolusi kecerahan planet selama transit. Mereka juga mengamati spektrum yang tercipta ketika cahaya dipisahkan menjadi komponen-komponen panjang gelombangnya, seperti prisma yang menciptakan pelangi.
Berbagai gas menyerap panjang gelombang cahaya tertentu, sehingga memungkinkan para ilmuwan mengidentifikasi bahan kimia di atmosfer.
Karena planet berputar saat bergerak di depan bintangnya, perubahan sinyal dari waktu ke waktu sesuai dengan garis bujur planet yang berbeda. Selama transit penuh, WASP-121 b berputar sekitar 30 derajat, cukup untuk membedakan terminator pagi (fajar) dan sore (senja) dengan presisi yang luar biasa.
Para astronom sering kali menggabungkan semua pengukuran transit menjadi satu sinyal rata-rata untuk meningkatkan kejelasan. Namun, dalam penelitian ini, Gapp dan rekan-rekannya membiarkan sinyal tersebut bervariasi seiring waktu seiring dengan rotasi planet. Analisis statistik menunjukkan bahwa pendekatan ini jauh lebih cocok dengan pengamatan, sehingga memberikan bukti kuat bahwa perbedaan atmosfer memang nyata.
Kemungkinan awan hilang dari model saat ini
Untuk memahami pengamatan tersebut, para peneliti melakukan simulasi komputer perpindahan panas di atmosfer bagian atas raksasa gas. Model tersebut berhasil mereproduksi asimetri umum yang disebabkan oleh perbedaan suhu, namun efek yang diamati lebih kuat dari yang diharapkan.
Perbedaan ini menunjukkan bahwa proses lain dapat mempengaruhi atmosfer.
Salah satu kemungkinannya adalah terminator pagi hari mengalami pendinginan tambahan yang gagal ditangkap oleh model saat ini. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa awan mungkin ada di wilayah ini. Berbeda dengan awan di Bumi, awan tersebut kemungkinan besar terbuat dari mineral seperti silikat, bukan tetesan air.
Awan seperti itu dapat menghalangi radiasi infra merah dari lapisan hangat di bawahnya, sehingga membuat atmosfer menjadi lebih dingin dari yang sebenarnya.
Memodelkan pembentukan awan, kondensasi, dan penguapan dalam lingkungan yang berubah dengan cepat masih merupakan tantangan yang sangat besar. Akibatnya, banyak model atmosfer eksoplanet, termasuk yang digunakan dalam penelitian ini, tidak sepenuhnya menggabungkan fisika awan.
Ketika tim memodifikasi simulasi mereka untuk memperkirakan efek awan, hasilnya mendekati observasi. Namun, pemodelan yang lebih canggih masih diperlukan sebelum para peneliti dapat memastikan keberadaan awan di WASP-121 b.
Sebuah cara baru untuk mempelajari exoplanet ekstrim
Perbaikan model atmosfer di masa depan dapat membuat teknik ini menjadi lebih kuat.
Para peneliti telah mengidentifikasi raksasa gas ultra-panas lainnya dengan suhu dan kecepatan rotasi yang sesuai untuk penelitian serupa. Dengan menerapkan metode yang sama pada sampel planet yang lebih besar, para astronom berharap dapat membandingkan evolusi kondisi atmosfer di berbagai dunia dan lebih memahami struktur tiga dimensinya.
Informasi Tambahan
Astronom MPIA yang terlibat dalam penelitian ini adalah Cyril Gapp (juga Universitas Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (juga Universitas Newcastle, Australia) dan Eva-Maria Ahrer.
Peneliti lainnya adalah: Aurélien Falco (Universitas Sorbonne, Paris, Prancis), David K. Sing (Universitas Johns Hopkins, Baltimore, Amerika Serikat), Shashank Dholakia (Universitas Queensland, Saint Lucia, Australia), Vivien Parmentier (Universitas Côte d’Azur, Nice, Prancis), Jérémy Leconte (Universitas Bordeaux, Prancis) dan Guangwei Fu (Universitas Johns Hopkins).
Pengamatan JWST yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan di bawah Program GO No. 1729 (PI: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) dengan judul “A NIRSpec Phase Curve for the ultrahot Jupiter WASP-121b” dan Program GTO No. 1201 (PI: David Lafrenière) dengan judul “NIRISS Exploring the Atmospheric Diversity of Transiting Exoplanets (NEAT). »
NIRSpec (Spektrograf Inframerah Dekat) dibangun oleh industri Eropa sesuai spesifikasi Badan Antariksa Eropa (ESA) dan dikelola oleh proyek ESA JWST di ESTEC (Pusat Penelitian dan Teknologi Luar Angkasa Eropa), Belanda. Kontraktor utamanya adalah Airbus Defense and Space di Ottobrunn, Jerman. MPIA berkontribusi pada pengembangan dan pembuatan filter dan roda kisi NIRSpec. Detektor NIRSpec dan subsistem array microshutter disediakan oleh Goddard Space Flight Center (GSFC) NASA.
Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah observatorium terkemuka di dunia untuk penelitian luar angkasa. Ini adalah program internasional yang dipimpin oleh NASA dan mitranya ESA dan CSA (Badan Antariksa Kanada).
