Astronomii de la Universitatea din Geneva (UNIGE), Centrul Național de Competență în Cercetare PlanetS și Institutul Trottier pentru Cercetare privind Exoplanetele (IREx) de la Universitatea din Montreal (UdeM) au făcut o descoperire majoră folosind Telescopul Spațial James Webb (JWST). Pentru prima dată, cercetătorii au urmărit gazul care scapă din atmosfera unei exoplanete în mod continuu pe parcursul unei orbite complete în jurul stelei sale. Observațiile au dezvăluit un rezultat neașteptat și dramatic. Gigantul gazos WASP-121b este înconjurat nu de unul, ci de două fluxuri enorme de heliu care se întind pe mai mult de jumătate din orbita sa. Atunci când sunt combinate cu modele computerizate avansate dezvoltate la UNIGE, datele oferă cea mai detaliată imagine de până acum a evadării atmosferice, un proces puternic care poate remodele o planetă pe perioade lungi de timp. Descoperirile sunt publicate în Nature Communications.
WASP-121b aparține unei clase de planete cunoscute sub numele de Jupiteri ultra-fierbinți. Acești giganți gazoși masivi orbitează extrem de aproape de stelele lor, iar WASP-121b finalizează o rotație completă în doar 30 de ore. Datorită proximității sale, radiațiile intense de la stea încălzesc atmosfera planetei la temperaturi de câteva mii de grade. La o căldură atât de extremă, elementele ușoare, cum ar fi hidrogenul și heliul, se pot elibera și pot deriva în spațiu. De-a lungul a milioane de ani, această pierdere constantă de material atmosferic poate schimba semnificativ dimensiunea, compoziția și evoluția pe termen lung a planetei.
Până acum, astronomii puteau studia evadarea atmosferică doar în timpul tranzitelor planetare scurte - momentele scurte în care o planetă trece prin fața stelei sale din perspectiva Pământului. Aceste instantanee au durat doar câteva ore și au oferit informații limitate. Fără monitorizare neîntreruptă, oamenii de știință nu au putut determina cât de departe se extinde gazul care scapă sau cum se schimbă structura sa în timp.
Folosind Spectrograful în Apropiere de Infraroșu (NIRISS) de la bordul Telescopului Spațial James Webb, echipa de cercetare a observat WASP-121b timp de aproape 37 de ore consecutive. Această fereastră a acoperit mai mult de o orbită completă, făcând-o cea mai extinsă detectare continuă de heliu înregistrată vreodată în jurul unei planete. Această observație prelungită a permis oamenilor de știință să urmărească evadarea atmosferică cu detalii și precizie fără egal.
Măsurând modul în care heliul absoarbe lumina infraroșie, cercetătorii au descoperit că gazul din jurul WASP-121b se răspândește cu mult dincolo de planeta în sine. Semnalul de heliu rămâne vizibil pentru mai mult de jumătate din orbita planetei, marcând cea mai lungă observație continuă a evadării atmosferice până în prezent. Chiar mai frapant, heliul nu formează un singur flux. În schimb, se împarte în două cozi distincte. Una se află în spatele planetei, împinsă de radiațiile stelare și vânturile. Cealaltă se curbează înaintea planetei, probabil atrasă înainte de forța gravitațională a stelei. Împreună, aceste fluxuri de gaz se întind pe o distanță mai mare de 100 de ori diametrul planetei sau de mai mult de trei ori distanța dintre planetă și steaua sa.
"Am fost incredibil de surprinși să vedem cât de mult a durat evadarea heliului", explică Romain Allart, cercetător postdoctoral la Universitatea din Montreal, fost student la doctorat la Universitatea din Geneva și autor principal al lucrării. "Această descoperire dezvăluie complexitatea proceselor fizice care sculptează atmosferele exoplanetare și interacțiunea lor cu mediul lor stelar. Abia începem să descoperim adevărata complexitate a acestor lumi."
Departamentul de Astronomie al Universității din Geneva (UNIGE) a fost mult timp un lider în studiul evadării atmosferice. Modelele numerice dezvoltate acolo au jucat un rol cheie în interpretarea primelor detectări de heliu făcute de JWST. În timp ce aceste modele descriu cu succes cozi simple de gaz, asemănătoare cu cometele, ele se străduiesc să recreeze structura cu coadă dublă observată în jurul WASP-121b.
"Această descoperire indică faptul că structura acestor fluxuri rezultă atât din gravitație, cât și din vânturile stelare, făcând esențială o nouă generație de simulări 3D pentru analizarea fizicii lor", explică Yann Carteret, doctorand în Departamentul de Astronomie al Facultății de Științe a UNIGE și co-autor al studiului.
Heliul a devenit unul dintre cele mai eficiente instrumente pentru urmărirea evadării atmosferice, iar sensibilitatea JWST permite acum oamenilor de știință să îl detecteze pe distanțe și perioade de timp fără precedent. Observațiile viitoare vor ajuta la determinarea dacă structura cu coadă dublă văzută în jurul WASP-121b este rară sau comună printre exoplanetele fierbinți. Cercetătorii vor trebui, de asemenea, să își rafineze modelele teoretice pentru a explica mai bine modul în care gravitația, radiațiile și vânturile stelare interacționează pentru a modela aceste atmosfere evadate.
"Foarte des, noi observații dezvăluie limitările modelelor noastre numerice și ne împing să explorăm noi mecanisme fizice pentru a ne aprofunda înțelegerea acestor lumi îndepărtate", conchide Vincent Bourrier, lector și cercetător în cadrul Departamentului de Astronomie al Facultății de Științe a Universității din Geneva și co-autor al studiului.