Egy nemzetközi kutatócsoport a NASA James Webb űrteleszkópjának segítségével vizsgálta a SIMP 0136 nevű szabadon vándorló bolygót. Az ilyen „kóbor” bolygók olyan objektumok, amelyek a Naprendszer bolygóihoz hasonló tömegűek, de nem keringenek egyetlen csillag körül sem, hanem szabadon vándorolnak. Néhány évvel ezelőtt az ESO távcsöveinek és egyéb műszereinek segítségével több tucat új vándorló bolygót fedeztek fel.

A James Webb űrteleszkóppal a SIMP 0136 két teljes forgási periódusa alatt kibocsátott infravörös fény széles spektrumát figyelték meg, és a kutatócsoport a felhőrétegekben, a hőmérsékletben és a szénkémiában olyan változásokat mutatott ki, amelyek korábban rejtve maradtak.

Az eredmények döntő betekintést nyújtanak a Naprendszerünkön belüli és kívüli gázóriások légkörének háromdimenziós összetettségébe. Az ehhez hasonló objektumok részletes jellemzése elengedhetetlen az exobolygók NASA Nancy Grace Roman űrteleszkópjával történő közvetlen leképezések előkészítéséhez, amely a tervek szerint 2027-ben kezdi meg működését.

A SIMP 0136 egy gyorsan forgó, szabadon vándorló objektum, amelynek tömege nagyjából 13-szorosa a Jupiter tömegének, és mindössze 20 fényévre található a Földtől. Bár nem minősül gázóriás exobolygónak, mivel nem kering csillag körül és nagy valószínűséggel inkább barna törpe, a SIMP 0136 ideális célpont az exometeorológia számára, hiszen a maga nemében a legfényesebb objektum az északi égbolton. Mivel magános objektum, így könnyen és közvetlenül vizsgálható anélkül, hogy gazdacsillagának fénye „beszennyezné” a megfigyeléseket. Rövid, mindössze 2,4 órás forgási ideje pedig nagyon hatékony felmérést tesz lehetővé.

Művészi elképzelés a SIMP 0136 vándorló bolygóról a James Webb Űrteleszkópjának legújabb, valamint a Hubble, Spitzer és számos földi teleszkóp korábbi megfigyelései alapján.

A Webb-megfigyelések előtt a SIMP 0136-ot alaposan tanulmányozták földi obszervatóriumok műszereivel, valamint a NASA Hubble és Spitzer űrteleszkópokkal. „Így már korábban tudtuk, hogy változik a fényessége, és biztosak voltunk abban, hogy vannak foltos felhőrétegek, amelyek a forgás során előjönnek majd eltűnnek és hogy idővel fejlődnek” – magyarázta Allison McCarthy, a Bostoni Egyetem doktorandusza és a megjelent tanulmány vezető szerzője. „Azt is gondoltuk, hogy lehetnek hőmérséklet-ingadozások, kémiai reakciók, és esetleg a fényességet befolyásoló hatások, de nem voltunk biztosak benne.” Ennek kiderítéséhez a kutatócsoportnak a Webb azon képességére volt szüksége, hogy széles hullámhossztartományban nagyon precízen mérje a fényességváltozásokat.

A NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) műszer segítségével a Webb a közeli infravörös hullámhossztartományban, 0,6-5,3 mikron között több ezer egyedi spektrumot rögzített. 1,8 másodpercenként készítettek spektrumokat több, mint három órán keresztül, miközben az objektum egy teljes körforgást végzett. Ezt azonnal követte a MIRI-vel (Mid-Infrared Instrument) végzett megfigyelés, amely során közepes infravörös hullámhossztartományban, 5 és 14 mikron között 19,2 másodpercenként vettek fel spektrumokat a bolygó egy újabb teljes forgása alatt.

A bal oldalon látható fénygörbék a a SIMP 0136 vándorló bolygóról készült közeli infravörös fény három különböző hullámhosszának (színeinek) fényességváltozását mutatja, ahogy a bolygó forog. A jobb oldali ábra szemlélteti a SIMP 0136 légkörének lehetséges szerkezetét, a nyilak színei megegyeznek a fénygörbéken látható hullámhosszakkal. A vastag nyilak több (fényesebb) fényt, a vékony nyilak kevesebb (halványabb) fényt jelentenek.

Az eredmény végül több száz részletes fénygörbe lett, amelyek mindegyike egy nagyon pontos hullámhossz (szín) fényességének változását mutatja, ahogy az objektum különböző oldalai láthatóvá váltak a forgás során.

„Hihetetlen volt látni ahogy az objektum teljes spektruma percek alatt megváltozik” – mondta Johanna Vos, a Trinity College Dublin vezető kutatója. „Eddig csak egy kis szeletet láttunk a Hubble közeli infravörös spektrumából, és néhány fényességmérést a Spitzertől.”

A kutatócsoport szinte azonnal észrevette, hogy több különböző fénygörbealakzat létezik. Adott pillanatban egyes hullámhosszak fényesebbé váltak, míg mások halványodtak vagy egyáltalán nem változtak.

Számos tényező befolyásolhatja a fényességváltozásokat. „Képzeljük el, hogy a Földet messziről nézzük. Ha minden színt külön-külön nézünk, különböző mintázatokat látnánk, amelyek információt adnak a felszínről és a légkörről, még akkor is, ha nem tudjuk kivenni az egyes jellemzőket,” magyarázta Philip Muirhead társszerző, aki szintén a Boston Egyetem munkatársa. „A kék szín erősödne, ahogy az óceánok kerülnek látótérbe, a barna és zöld változásai a talajról és a növényzetről árulkodnának.”

Ahhoz, hogy kiderítsék, mi okozhatja a SIMP 0136 esetén megfigyelt változásokat, a kutatócsoport légköri modelleket használt annak bemutatására, hogy a különböző hullámhosszak a légkör mely részéből származhatnak.

„A különböző hullámhosszak a légkör különböző mélységeiről nyújtanak információt,” magyarázta McCarthy. „Kezdtük felismerni, hogy azon hullámhosszakon, amelyeknek a leginkább hasonló fénygörbe-alakzataik voltak, ugyanazokat a mélységeket vizsgáljuk, ami megerősítette azt az elképzelést, hogy ezeket ugyanaz a mechanizmus kell, hogy okozza.”

Az egyik hullámhosszcsoport például a légkör mélyéről származik, ahol vasrészecskékből álló foltos felhők lehetnek. Egy második csoport magasabban lévő felhőkből származik, amelyekről úgy gondolják, hogy apró szilikát ásványszemcsékből állnak. Mindkét fénygörbe-változat a felhőrétegek foltosságával van összefüggésben.

A hullámhosszak harmadik csoportja nagyon nagy magasságból, jóval a felhők fölöttről származik, és úgy tűnik, hogy a hőmérsékletet követi. A fényes „forró pontok” kapcsolatban lehetnek a korábban rádióhullámhosszokon észlelt sarki fényekkel, vagy a légkör mélyéről felfelé áramló forró gázokkal.

Néhány fénygörbe nem magyarázható sem felhőkkel, sem a hőmérséklettel, hanem a légköri szénkémiával kapcsolatos változásokat mutatnak. Lehetnek szén-monoxid és szén-dioxid zsebek, amelyek be- és kiforognak a látótérből, vagy valamilyen kémiai reakciók, amelyek idővel változtatják a légkört.

„A rejtvény kémiai részét még nem sikerült teljesen megfejtenünk,” mondta Vos. „De ezek az eredmények nagyon izgalmasak, mert azt mutatják, hogy az olyan molekulák mennyisége, mint a metán és a szén-dioxid, helyről helyre és idővel is változhat. Ha egy exobolygót vizsgálunk és csak egy mérést tudunk végezni, figyelembe kell vennünk, hogy ez nem feltétlenül reprezentálja az egész bolygót.”

Forrás: NASA