9 Minute
La aproximativ 880 de ani-lumină distanță, un gigant gazos ars de radiație își varsă literalmente o parte din atmosferă în spațiu. Observaţii noi realizate cu Telescopul Spațial James Webb (JWST) arată că WASP-121b (cunoscut şi sub porecla Tylos), un Jupiter ultra‑fierbinte, urmează nu una, ci două cozi enorme de heliu care acoperă aproape 60% din orbita sa. Această privire continuă asupra fenomenului de pierdere atmosferică oferă cea mai clară imagine până acum despre modul în care mediile stelare ostile pot „decapa” atmosfera unei exoplanete.
Un spectacol ca de cometă: ce a observat de fapt JWST
WASP-121b este o lume extremă. Aproape de dimensiunea lui Jupiter, dar orbitând atât de aproape de steaua sa încât un an are cam 30 de ore, planeta este supusă unei radiații stelare intense. Acea energie încălzește straturile superioare ale atmosferei la mii de grade, favorizând scăparea gazelor ușoare precum hidrogenul și heliul. Astronomii au detectat anterior semne ale pierderii atmosferice, în general sub forma unor semnale scurte în timpul tranzitului planetei pe fața stelei. Datele JWST însă acoperă mai mult de o orbită completă — aproape 37 de ore continue — permițând cercetătorilor să urmărească procesul de evacuare atmosferică în timp.
Folosind instrumentul Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) al JWST, echipa a scanat liniile de absorpție ale heliului în infraroșu apropiat. Absorbția heliului este un indicator fiabil al fluxului atmosferic pentru că atomii excitați de heliu absorb lumina infraroșie la lungimi de undă specifice, ușor de identificat în spectre. Rezultatul: o ceață persistentă, la scară mare, de heliu care ocupă aproape 60% din traiectoria orbitală a lui WASP-121b. În loc să formeze o bulă compactă, gazul care scapă se aranjează în structuri alungite — două cozi distincte — una care rămâne în urma planetei și alta care se extinde înaintea ei, de-a lungul orbitei.
O ilustraţie a exoplanetei WASP-121b, sau Tylos, şi a stelei sale
De ce cele două cozi reprezintă un puzzle surprinzător
Majoritatea modelelor convenţionale de pierdere atmosferică prezic un singur curent de gaz modelat de mișcarea planetei, de radiaţia stelară şi de presiunea de ram a vântului stelar. Configuraţia cu două cozi a lui WASP-121b complică această imagine simplă. Coada din spate corespunde aşteptărilor clasice: radiaţia stelară şi mișcarea orbitală combinată „împing” materialul în urma planetei, creând o urmă (wake). Coada din faţă însă sugerează că material este tras sau redirecţionat în sensul mişcării planetei — posibil sub influența gravitației stelare, sau ca rezultat al interacţiunilor complexe între vântul stelar, câmpurile magnetice şi fluxurile ionizate.
Simulările 1D tradiţionale sau versiunile 3D simplificate se împotmolesc când încearcă să reproducă două cozi mari şi persistente separate în modul în care le-a observat JWST. Datele indică o geometrie tridimensională mult mai bogată: gaz în expansiune lansat de pe partea iluminată (dayside), accelerat şi ionizat de fotonii stelari, apoi modelat de forţe concurente — presiune termică, forță centrifugală, gravitație şi interacțiuni magnetohidrodinamice. Structurile de heliu împreună acoperă o suprafață de peste 100 de ori diametrul planetei, marcând una dintre cele mai ample detectări continue ale scurgerii atmosferice realizate până în prezent.
Acest rezultat pune la probă noțiuni cheie din fizica exoplanetelor și din modelarea interacțiunilor stea–planetă. Pentru a înțelege formarea simultană a cozii din față și a celei din spate, modelele trebuie să includă curgeri 3D, fotoionizare detaliată, transport radiativ, plus efectele câmpurilor magnetice stelare și planetare. Observaţiile pe orbite complete, precum aceasta, sunt esenţiale pentru a captura evoluţia temporală a structurilor, deoarece instantaneele din timpul unui tranzit pot rata arhitectura spaţială extinsă a fluxurilor de gaz.
Context științific și implicații pentru evoluția planetară
Pierderea atmosferică contează deoarece chiar și scurgeri lente, menținute pe milioane sau miliarde de ani, pot transforma fundamental o planetă. La lumi mai mici, pierderea unui envelope de hidrogen‑heliu poate transforma un sub‑Neptun într‑un super‑Pământ stâncos. În cazul planetelor gigantice precum WASP-121b, pierderea de masă poate modifica chimia atmosferei și structura verticală, expunând straturi profunde sau schimbând semnăturile observabile — de exemplu, stratificarea vaporilor metalici, condensatilor exotici şi vitezele mari ale vânturilor atmosferice.
WASP-121b este deja renumită pentru vremea sa exotică: metale vaporizate, condensate asemănătoare rubinului și safirului, și curenți jet ce atinge viteze extreme. Descoperirea cozilor extinse de heliu adaugă o dimensiune suplimentară: iradierea stelară nu doar sculptează regiunile superioare ale atmosferei, ci poate arunca cantități semnificative de gaz ușor în spațiul circumstelar. Din punct de vedere al evoluției pe termen lung, se ridică întrebări importante: acest gaz complet părăsește sistemul planetar şi se dispersează în mediul interstelar, sau rămâne în jurul stelei sub formă de structuri tranzitorii, eventual fiind recapturat sau redistribuit? Răspunsurile cer modele magnetohidrodinamice 3D şi simulări radiative‑hidrodinamice mult mai sofisticate decât majoritatea codurilor folosite în prezent.
Pe lângă implicațiile teoretice, există şi consecinţe observationale: cozi extinse pot afecta curbele de lumină și spectrele în mai multe benzi, influențând estimările masei atmosferice, compoziției și temperaturii. Ele pot genera semnale spectrale variabile în timp, deci campanii de observații multi‑epocă sunt cruciale pentru a înțelege stabilitatea şi variabilitatea fenomenului.
Ce aduce în plus observaţia JWST
- Acoperire continuă fără precedent pe mai mult de o orbită (>1 orbită, ≈37 ore) folosind NIRISS al JWST, esențială pentru a capta evoluţia temporală a scurgerii atmosferice.
- Detectarea clară a absorbției heliului care se întinde pe ≈60% din orbita planetei, o indicație directă a prezenței de heliu termic/ionizat la distanţe semnificative de planetă.
- Identificarea a două cozi spaţial distincte de heliu, ceea ce ridică întrebări noi despre interacţiunile stea–planetă, rolul gravitaţiei şi influenţa câmpurilor magnetice şi a vântului stelar.
- Constrângeri observaţionale directe care vor ghida viitoare simulări 3D ale pierderii de masă atmosferică, inclusiv pentru coduri care modelează fotoionizarea, transportul radiativ şi magnetohidrodinamica.
Perspective ale experţilor
„Această observaţie schimbă modul în care trebuie să gândim pierderea atmosferică,” afirmă Romain Allart de la Trottier Institute for Research on Exoplanets şi Université de Montréal, care a condus studiul. El subliniază că monitorizarea continuă pe orbită completă a fost cheia pentru a evidenția structuri pe care instantaneele scurte din timpul tranziției le ratează.
Dr. Elena Ruiz, astrofizician specializat în interacţiuni stea–planetă, adaugă într-un comentariu realist: „Să vezi două cozi de heliu de această amploare e ca și cum o planetă şi‑ar lăsa amprentele în jurul stelei sale. Asta forţează modelatorii să includă simultan curgeri 3D, gravitația stelară și efectele magnetice. JWST a deschis o fereastră către procese care dictează cum îmbătrânesc planetele, cum migrează și — în cazuri extreme — cum sunt decapitate până la nucleele lor.”
Comentariile experţilor reflectă şi limitările actuale: în timp ce observațiile oferă date revelatoare, interpretarea lor necesită asumarea unor ipoteze despre magnetismul stelar, ratele de ionizare și condițiile iniţiale ale atmosferei. Convergenţa dintre date și modele va necesita o colaborare strânsă între observatori și teoreticieni, precum și dezvoltarea de coduri numerice capabile să ruleze pe scale spațiale și temporale extinse.
Următorii paşi şi perspective viitoare
Cercetătorii vor folosi aceste rezultate JWST pentru a rafina codurile de simulare și a planifica observații de urmărire. Campanii multi‑lungime de undă — combinând căutări în infraroșu ale heliului cu observaţii în ultraviolet ale hidrogenului şi liniilor metalice — pot construi o hartă mai completă a compoziției gazului care scapă. Observaţia de heliu trebuie corelată cu semnăturile hidrogenului (Lyman‑α, deși dificilă din cauza interpoziției interstelare) şi cu liniile metalice din UV/optică pentru a estima pierderea totală de masă și starea de ionizare a fluxului.
Monitorizarea altor Jupiteri ultra‑fierbinți pe orbite complete va clarifica dacă morfologia cu două cozi este o raritate sau un rezultat frecvent, dar anterior neobservat, al interacţiunilor intense stea–planetă. Dacă fenomenul e comun, implicațiile pentru populațiile de exoplanete sunt semnificative: ratele de eroziune atmosferică ar putea fi mai complexe și dependente de orientarea orbitală, parametrii magnetici și istoricul radiațional al stelei.
Studiul, publicat în Nature Communications, amintește că exoplanetele sunt sisteme dinamice. Cu JWST și viitoare observatoare (de exemplu, următoarele misiuni UV sau telescoape de mare diametru pe sol), astronomii vor surprinde din ce în ce mai des planete în actul transformării, oferind dovezi directe ale proceselor care modelează lumi dincolo de sistemul nostru solar.
Pe termen mediu și lung, integrarea acestor observaţii cu studii statistice asupra populațiilor de exoplanete va permite estimări mai precise ale modului în care pierderea atmosferică modelează distribuţia masei și compoziției planetelor. În plus, dezvoltarea de instrumentație dedicată pentru detectarea heliului și a altor traci în infraroșu apropiat va extinde capacitatea de a studia aceste fenomene la un număr mai mare de obiecte, inclusiv exoplanete aflate la distanțe mai mari sau orbitând stele mai active.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu