Astronomer har lenge framstilt fjerne eksoplaneter med jevne, sirkelformede konturer. Nye observasjoner med NASAs James Webb-teleskop viser imidlertid at atmosfæren rundt noen av de glovarme planetene kan ha langt mer ujevne former.

Rundt WASP-17b, en enorm gassplanet omtrent 1.300 lysår fra jorden, strekker atmosfæren seg lenger ut på den ene siden enn på den andre. Planetens overordnede form er fortsatt omtrent sirkelformet, men atmosfæren er tydelig asymmetrisk. Forskerne mener forvrengningen viser hvordan ekstreme temperaturer og kraftige vinder kan endre atmosfæren på planeter langt utenfor solsystemet.

Resultatene er publisert i Nature Astronomy. Studien er ledet i fellesskap av Cornell University i USA og University of Bristol i Storbritannia. Forskerne brukte en teknikk kalt «transmission strings», utviklet av Bristol-astrofysikerne Dr. David Grant og Dr. Hannah Wakeford, for å undersøke planetens atmosfære i uvanlig detalj.

Et tredimensjonalt bilde av atmosfæren

WASP-17b tilhører gruppen «hot Jupiters», eller varme jupitere: enorme gasskjemper som går i bane svært nær stjernen sin og derfor utsettes for intens oppvarming. Den uvanlige atmosfæriske formen gir ny innsikt i hvordan varme beveger seg rundt slike ekstreme verdener.

Hovedforfatter Dr. Lili Alderson er Klarman-stipendiat ved Cornell University. Hun startet arbeidet mens hun studerte ved University of Bristol, der hun tok doktorgrad i fysikk.

«This is proof of concept that planets are in fact 3D objects, and that consistently, as they go around their star, what we predict should be happening is happening. To move beyond computational exercises and see it for real is a different matter.»

Observasjonene gir informasjon om den kjemiske sammensetningen og temperaturvariasjonene i atmosfæren på WASP-17b. Forskerne kunne blant annet undersøke forskjeller mellom ekvator og poler, samt mellom planetens permanent opplyste og mørke halvkule.

Resultatene stemmer godt med tidligere teoretiske beregninger og datamodeller. Til sammen gir de et av de mest detaljerte tredimensjonale bildene som hittil er laget av atmosfæren til en eksoplanet. Forskerne mener dette kan bli et nyttig sammenligningsgrunnlag for studier av de mer enn 6.000 eksoplanetene som er bekreftet så langt.

Medforfatter Dr. Hannah Wakeford, førsteamanuensis i astrofysikk ved University of Bristol, beskriver planetenes atmosfærer som komplekse og kaotiske.

«Planets are temperamental, their atmospheres complex and chaotic. The fact that all of these numbers came together and showed us this very structured, dynamical picture of this giant world over 1,000 light-years away was just really exciting.»

Ny metode finner skjulte trekk

James Webbs høye følsomhet har allerede gjort det mulig å undersøke fremmede atmosfærer med en metode kalt «eclipse mapping». Den analyserer små endringer i lyset når en planet beveger seg bak moderstjernen, og kan dermed vise hvordan forholdene varierer over planetens overflate.

Den nye teknikken, «transmission strings», også kalt transit mapping, undersøker den motsatte delen av planetens bane. Når en eksoplanet passerer foran stjernen sin, går noe av stjernelyset gjennom de ytterste delene av atmosfæren før det når teleskopet.

Ved å analysere dette lyset fra ulike vinkler kan forskerne undersøke atmosfærens sammensetning og måle hvor langt den strekker seg på forskjellige steder rundt planeten. Den ytterste atmosfæriske grensen kalles «limb».

Tradisjonelle metoder slår som regel sammen lysmålinger fra hele denne grensen til ett gjennomsnittlig spektrum. Den nye metoden skiller i stedet informasjonen fra ulike regioner. På den måten kan forskerne oppdage atmosfæriske variasjoner som ellers ville blitt skjult.

«Rather than assuming your atmosphere is a circle with the same radius all the way around, our technique allows you to pull out different distances from the center to the edge of the planet. We're able to go around the edge. So, we've gone from a ring to understanding where on the ring the gemstones are, so to speak.»

Varm gass blåser opp den ene siden

De nye målingene viste et særlig interessant trekk nær ekvator på WASP-17b, akkurat der tidligere modeller hadde forutsagt at det skulle ligge.

Forvrengningen oppstår på planetens «kveldsside». Der fører kraftige atmosfæriske vinder varme bort fra halvkulen som hele tiden vender mot stjernen, og over mot halvkulen som er låst i mørket.

Bevegelsen av den varme gassen får atmosfæren på kveldssiden til å utvide seg lenger utover enn atmosfæren på den kjøligere «morgensiden». Derfor er ikke planetens atmosfæriske kontur helt symmetrisk.

Funnene bekrefter en viktig prognose om temperaturforskjellene mellom disse områdene. Transit mapping-målingene støttet også andre egenskaper ved WASP-17b som tidligere er identifisert.

Alderson sier teorien forutsier en tydelig temperaturforskjell mellom morgen- og kveldssiden, og at WASP-17b passer godt med dette mønsteret.

«Theory predicts that the morning and the evening sides should have a strong temperature difference, and WASP-17b fits really nicely in that trend -- pretty much bang-on what we thought it would be.»

Kan gi bedre værkart over fjerne planeter

At teknikken kunne brukes på WASP-17b, viser at den også kan brukes til å undersøke atmosfærene til mange andre eksoplaneter. Fram til nylig kom mye av kunnskapen om disse atmosfærene fra målinger som var gjennomsnittlige over store områder.

Den nye metoden gjør det mulig å skille mellom forhold på ulike breddegrader, og mellom planetens dag- og nattside. På sikt kan dette gi forskerne mulighet til å studere atmosfæriske strukturer på mindre skala og komme nærmere detaljerte værkart over planeter utenfor solsystemet.

Wakeford sier modellen som ble brukt, gir en robust måte å analysere de avanserte dataene på.

«Having this very robust mathematical model that we can apply to this state-of-the-art data is incredibly exciting. The results are a really beautiful demonstration of the dynamics that are going on in these multidimensional and multifaceted worlds.»

Studien brukte observasjoner fra JWST-programmet «Telescope Scientist Deep Reconnaissance of Exoplanet Atmospheres through Multi-instrument Spectroscopy» (TST DREAMS) Guaranteed Time Observations. Arbeidet ble finansiert av NASA, det britiske forsknings- og innovasjonsrådet UKRI gjennom Science and Technology Facilities Council (STFC), samt Klarman Fellowship.