Hur man kan förstå väder på avlägsna exoplaneter

 

Bild wikipedia Konstnärs tolkning av SIMP J013656.5+093347 och dess aurora.

Med observationer från NASAs James Webb Space Telescope (JWST) använde teamet från Trinity College Dublin, The University of Dublin en statistisk teknik kallad Principal Component Analysis (PCA) för att följa hur objektets ljus förändras när det roterar. PCA förenklar komplex data genom att identifiera de huvudsakliga mönstren som förändras tillsammans under observationerna i tid.

I denna studie är dominerande mönster kopplade till väderrelaterade förändringar i den undersökta bruna dvärgens atmosfär (i detta fall SIMP 0136) huvudarbetet vilket innefattade att de skiljde på mindre fluktuationer och slumpmässigt "brus" i datan som samlades in. 

Forskarna kunde med hjälp av metoden identifiera de viktigaste fysiska processerna direkt ur datan. Vilken visade små förändringar i ljusstyrkan hos planetens massa när den roterade DEtta kunde ses tack vare JWST:s instruments exceptionella känslighet. I studien beskrivs (se nedan) att atmosfären på SIMP 0136 är på ett organiserat sätt, snarare än oorganiserat och slumpmässigt.

Den bruna dvärgen är större och hetare än en gasjätteplanet, men inte tillräckligt massiv för att lysa som en stjärna. Dess atmosfär domineras av enorma, snabbt föränderliga molnsystem. Molnsystemet är mindre omfattande än jordens och mer som en extrem version av Jupites, med planetstora vädermönster som ständigt förändras (om man nu inte ser tidslängden på Jupiters stora storm den så kallade röda fläcken).

"Vi upptäckte  att  drivkrafterna bakom vädermönstren på SIMP-0136 kvarstår över tid, även när atmosfärens detaljerade utseende utvecklas över mer än ett dussin rotationer," beskriver huvudförfattaren till studien Merle Schrader, doktorand vid Trinitys fysikskola.

"Relativt sett är SIMP 0136 en av de bruna dvärgar som är lättast för oss på jorden att studera och  fånga högkvalitativ data från. Den befinner sig 20 ljusår bort i södra delen av stjärnbilden Fiskarna. Ny teknik har också hjälpt oss att utveckla en bättre förståelse för vad som driver vädret på denna avlägsna värld och hur dessa vädermönster samexisterar men kanske ännu viktigare ar att detta sätt att studera kan förfinas och tillämpas på andra, mindre välkända bruna dvärgar i andra delar av rymden."

Och i en till synes otrolig vändning av kosmiskt öde finns det en personlig koppling mellan Merle och hennes studie av SIMP 0136 som är 20 ljusår från jorden. Lite snabb matematik bekräftar att just det ljus som gav data analyserad i hennes studie och som först observerades av JWST 2023, sändes ut samma år som Merle föddes.

"Ljuset färdas i cirka 300 000 km/s men även i den hastigheten tog det två decennier för ljuset från SIMP 0136 att nå Webbtelekopet.

När man tänker på att ljuset tar drygt en sekund att nå månen efter att ha lämnat jorden, ger det en känsla av hur långt bort SIMP 0136 är och hur otroliga astrofysiska framsteg har varit. Jag tycker det är fantastiskt att vi har kunnat urskilja de intima vädermönstren i en avlägsen värld och kartlägga deras interaktioner från vårt mysiga lilla hörn av universum, när allt vi observerar direkt av dessa objekt är en enda pixel utspritt över ljusspektrumet." ,  beskriver Schrader

Att förstå vädret på objekt som SIMP 0136 är viktigt eftersom bruna dvärgar utgör en unik möjlighet att studera fysiken bakom jättelika exoplanetatmosfärer. Till skillnad från de flesta exoplaneter kan de observeras direkt vilket gör det möjligt för astronomer att testa idéer om molnbildning, atmosfärisk cirkulation och värmetransport under extrema förhållanden.

Prof. Johanna Vos, docent vid Trinity School of Physics, påtalar: "Våra resultat kommer att förändra hur astronomer analyserar framtida JWST-observationer. Eftersom vårt tillvägagångssätt snabbt identifierar de dominerande komponenterna i atmosfären erbjuder det ett effektivt första steg innan vi påbörjar beräkningsintensiv modellering.

"Att tillämpa denna teknik på en mängd olika bruna dvärgar och jättelika exoplaneter kommer att hjälpa oss att bättre förstå de olika vädersystem som formar världar långt bortom vårt solsystem."

Ännu bredare är en av anledningarna till att det finns intresse för att bättre förstå vädermönster på avlägsna planeter att det berättar mycket om atmosfärerna och den kemiska sammansättningen på dessa planeter vilket är ett viktigt steg mot att identifiera vilka typer av världar där liv potentiellt kan existera.

Forskningen genomfördes som en del av Webbs General ObserverProgram 3548. Det stöddes av ett bidrag från European Research Council (projekt "EXO-PEA") och ett forskningsstipendium från Royal Society—Research Ireland University.

Studien publicerade kan läsas här på tidskriften Astronomy & Astrophysics. 

Hubbles väderobservationer på is- och gasplaneterna i vårt solsystem

 

Bild https://hubblesite.org/ Ett montage av Hubbleteleskopets bilder av vårt solsystems fyra yttre planeter: Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus, var och en visad i förbättrade färger.

Rymdteleskopet Hubble observationsprogram som kallas OPAL (Outer Planet Atmospheres Legacy) samlar in långsiktiga observationer av Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus väder för att förstå deras atmosfäriska dynamik och utveckling.

Jupiters molnband visar ett ständigt föränderligt kalejdoskop av form och färg. Det är alltid stormigt väder på Jupiter: cykloner, anticykloner, vindförändringar plus den kraftigaste stormen i solsystemet, den stora röda fläcken. Jupiter är till stor del  täckt av ammoniak-iskristallmoln ovan atmosfären som är tiotusentals mil djup.

Det tar mer än 29 år för Saturnus att kretsa runt solen, så OPAL har följt den i ungefär en fjärdedel av ett Saturnusår (med början från 2018 vilket var slutet av Cassini-uppdraget). Eftersom Saturnus lutar 26,7 grader går den igenom mer djupgående säsongsförändringar än Jupiter. Saturnus årstider varar i ungefär sju år. Detta innebär också att Hubble ser det spektakulära ringsystemet i en sned vinkel på nästan 30 grader och ringarnas lutning från kanten där de försvinner nästan helt eftersom de ses som papperstunna.

Uranus lutar på sidan så att dess rotationsaxel nästan är i samma plan som planetens omloppsbana. Detta resulterar i att planeten går igenom radikala årstidsväxlingar under sin 84 år långa vandring runt solen. Konsekvensen av planetens lutning innebär att en del av halvklotet är helt utan solljus, under tidsperioder som varar upp till 42 år. OPAL har följt den norra polen som för tillfället tippar mot solen.

När Voyager 2 flög förbi Neptunus 1989 blev astronomerna förbryllade över en stor mörk fläck lika stor som Atlanten som tornade upp sig i atmosfären. Var den lika långlivad som Jupiters stora röda fläck frågade man sig. Frågan förblev obesvarad tills Hubble 1994 kunde visa att sådana mörka stormar var övergående på Neptunus de dök upp och försvann efter två till sex år. Under OPAL-programmet upptäckte Hubble även slutfasen av en mörk fläck och hela livscykeln för en annan – båda migrerade mot ekvatorn innan de försvann. OPAL-programmet gör att astronomer inte missar framtida stormar.

För än mer utförligt om klimat och väder på dessa planeter följ denna länk från NASA:s Hubbletelekops egen sida.  

Väderförhållanden på två planeter där sandstormarna yr

 

Astronomer har skapat den mest detaljerade väderleksrapporten hittills för två avlägsna världar bortom vårt eget solsystem.

I studien avslöjas extrema atmosfäriska förhållandena på dessa exoplaneter som är insvepta i virvlande moln bestående av het sand  med en temperaturer på 950 °C.

Det var med hjälp av James Webb Space Telescope (JWST) i ett samarbete mellan USA, Europa och Kanada som forskarna bestämde sig för att undersöka vädret på ett par bruna dvärgar – himlakroppar som är större än planeter men mindre än stjärnor (så kallade misslyckade stjärnbildningar). 

Dessa bruna dvärgar, som tillsammans kallas WISE 1049AB är de ljusstarkaste och närmsta objekten av sin typ till jorden, De finns ca sex ljusår bort.

Teamet undersökte varje brun dvärgs atmosfär genom att mäta ljusvågorna som sänds ut från deras ytor och som förändras när mer eller mindre molniga områden roterade in i och ut ur Webbs synfält.

Genom att visualisera denna data i ljuskurvor –diagram över hur ljusstyrkan från varje objekt förändras över tid – kunde teamet bygga upp en detaljerad 3D-bild av hur de bruna dvärgarnas väder förändrades under loppet av ett helt varv eller som vi uttrycker det om jorden dag. Mellan fem och sju timmar tog varven.

Teamet kunde också kartlägga hur ljuset från varje objekt varierade beroende på våglängd och det visade närvaron och det komplexa samspelet mellan gaser som vattenånga, metan och kolmonoxid i deras atmosfärer.

Resultatet av studien kan hjälpa astronomer i förståelsen av bruna dvärgar den potentiell felande länken mellan stjärna och planet.

Den nu senaste studien bygger på tidigare studier av bruna dvärgar där det i huvudsak har begränsats till att ta statiska ögonblicksbilder av deras atmosfär på endast en sida av den bruna dvärgen. Detta tillvägagångssätt är begränsat resultaten eftersom bruna dvärgar är kända för att rotera relativt snabbt och deras väder kan variera mycket över tid, beskriver forskare.

Studien, som publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, leddes av University of Edinburgh i samarbete med forskare från Trinity College Dublin, University of Virginia mfl institut från hela världen.

Bild https://ras.ac.uk  En konstnärs intryck av en av de bruna dvärgarna som ligger närmast jorden i den binära gruppen WISE 1049AB den andra ses svagt, (huvudbilden på bilden), tillsammans med ett intryck av det stormiga vädret på en brun dvärgplanet (infälld).

Kredit ESO-I. Crossfield-N. Risinger Risinger Typ av licens (CC BY 4.0)

Webbteleskopet har kartlagt vädret på exoplanet WASP-43 b

 

WASP-43b, är en planet (260 ljusår bort) i omloppsbana runt den unga, aktiva och med låg massa stjärnan WASP-43 i stjärnbilden Sextanten.

Ett internationellt forskarlag har nyligen använt NASA:s James Webb Space Telescope för att kartlägga vädret på  WASP-43 b.

Exakta mätningar av ljusstyrka över ett brett spektrum av mellaninfrarött ljus, i kombination med 3D-klimatmodeller och tidigare observationer från andra teleskop tyder på att här finns tjocka, höga moln som täcker nattsidan medan dagsidan är molnfri och ekvatorialvindar på upp till 8000 Km/h blandar atmosfären.

Undersökningen är den senaste demonstrationen av exoplanetforskning som nu är möjlig med Webbs förmåga att ex mäta temperaturvariationer och upptäcka sammansättning av atmosfärer biljoner mil bort. Mätningarna visar att dagsidan på WASP-43 b har en medeltemperatur på nästan 1 250 grader Celsius – tillräckligt varmt för att smida järn. Samtidigt är nattsidan betydligt svalare 600 grader Celsius.

"Det faktum att vi kan kartlägga temperaturen är ett  bevis på Webbs känslighet och stabilitet", beskriver Michael Roman, (medförfattare till studien) från University of Leicester i Storbritannien.

Spektra visar även tydliga tecken på vattenånga på både natt- och dagsidan av planeten vilket ger ytterligare information om molnens tjocklek och hur högt de sträcker sig upp  i atmosfären.

Överraskande nog visade  insamlad data en tydlig brist på metan i atmosfären. Även om dagsidan är för varm för att metan ska kunna existera (det mesta av kolet bör vara i form av kolmonoxid), bör metan vara stabilt och detekterbart på den svalare nattsidan.

"Det faktum att vi inte ser metan säger oss att WASP-43 b måste ha vindhastigheter som når ungefär 8000 Km/h", beskriver Barstow. "Om vindarna flyttar runt gas från dagsidan till nattsidan och tillbaka igen tillräckligt snabbt, finns det inte tillräckligt med tid för de förväntade kemiska reaktioner som behövs för att producera detekterbara mängder metan på nattsidan."

Teamet tror att på grund av denna vinddrivna blandning är atmosfärens innehåll densamma runt hela planeten vilket inte var uppenbart från tidigare insamlad data från Hubble och Spitzerteleskopet.

Bild vikipedia (engelska) Illustration av Exoplaneten WASP-43b.

NU ska väderleksförhållandena på Neptunus och Uranus undersökas

 

NASA;s James Webb Space Telescope kommer snart att rikta sin uppmärksamhet mot två spännande världar. Planeterna Uranus och Neptunus. Teleskopets skarpa skärpa ut i rymden kommer att vara värdefullt för att få fram detaljer om dessa två världar. Vi ska ha i åtanke att endast en enda rymdfarkost (Voyager 2) svävat över dem vilket skedde en kort stund, för Uranus del den 24 januari 1986, 17:59:47 UTC på ett närmsta avstånd av 81500 km och Neptunus den 25 augusti 1989, 03:56:36 UTC på ett minsta avstånd av 4951 km.

Forskare har länge med teleskop hållit  koll på vädret på dessa världar och Webb kommer nu att vara ett välkommet tillskott till dessa på grund av dess oöverträffade skärpa. Forskare önskar studera sammansättningen och temperaturen i dessas atmosfärer för att få en bättre kunskap av hur cirkulationsmönstert i deras atmosfär ser ut och vad som sker där.

 "Vi tror att dessas väder och klimat kommer att ha en fundamentalt annorlunda karaktär jämfört med gasjättarna", säger Fletcher (studieledaren Leigh Fletcher, är en planetforskare vid University of Leicester i Storbritannien) i pressmeddelandet från Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore.). (gasjättarna är Jupiter och Saturnus medan ovan har en kärna under sin kraftiga atmosfär av is och sten därav används i dag ofta epitet isjättar om dessa)

 Intresset för dessa isjättar beror enligt Fletcher delvis på att dessa är långt bort från solen är mindre i storlek och roterar långsammare runt sina axlar men även då blandningen av gas och atmosfärens blandning är väldigt annorlunda jämfört med gasjättarna Jupiter och Saturnus. 

Webbs teleskopets undersökningsmöjligheter inom mellanskiktet av det infraröda våglängdsområdet gör det möjligt för astronomerna att skilja på gaser i de två planeternas övre atmosfärer och undersöka hur solljuset eventuellt påverkar detta.

Studierna genomförs utifrån ett garanterat observationsprogram under en bestämd tid (bokat för webbteleskopet) med Webbteleskopet under ledning av Webbs tvärvetenskapliga forskare Heidi Hammel. Hammel vilken också är en av STScI https://www.stsci.edu/  planetforskare och känd för årtionden av teleskopiska och rymdfarkostobservationer av Uranus och Neptunus, inklusive de med Voyager 2.

Bild flickr.com Montage av Hubble Space Teleskop - bilder vilket visar planeterna Uranus (vänster) och Neptunus (höger).

Vädret på en mycket het Jupiterstor exoplanet

 

WASP-8b är en exoplanet som kretsar runt stjärnan WASP-8A i stjärnbilden Skulptören. Stjärnan liknar vår sol och är en binär stjärna (ingår i ett dubbelstjärnsystem) med en röd dvärgstjärna (WASP-8B) som har en storlek av halva vår sols massa och som kretsar runt om WASP-8A.

 I två nya artiklar har nu ett team av Hubble-astronomer beskrivit udda väderförhållanden i heta fräsande Jupiterstora världar. Planeter där det regnar förångad sten med en temperatur av ca 1600C en temperatur där merparten av metaller är i smält form. Planeter där temperaturen är högre i övre atmosfären än undre eftersom den "solbränns" av intensiv ultraviolett (UV) strålning från sin sol. Detta är motsatsen till på Jorden där atmosfären svalnar ju högre upp vi kommer.

Forskning inom detta område handlar utöver om i att hitta konstiga och udda planetatmosfärer även i att studera extremväder vilket ger astronomer bättre insikter om mångfalden, komplexiteten och den exotiska kemi som finns på avlägsna världar i Vintergatan.

"Vi har fortfarande ingen bra förståelse för vädret i skilda planetmiljöer", säger David Sing vid Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland, medförfattare till studierna. "När man ser på jorden är alla våra väderprognoser fortfarande finjusterade efter vad vi kan mäta med våra instrument. Men när du ser på en avlägsen exoplanet har du begränsade instrument eftersom det inte finns en allmän teori av hur allt i en atmosfär hänger samman eller reagerar under extrema förhållanden. Även om du känner till den grundläggande kemin och fysiken vet du inte hur det kommer att manifesteras på komplexa vis i extrema miljöer.

I en artikel i tidskriften Nature den 6 april beskriver astronomer Hubbles observationer av WASP-178b en planet som finns i ett solsystem som finns cirka 1300 ljusår bort. På dagtid är atmosfären här molnfri och med stort innehåll  av kiselmonoxidgas. Då ena sidan av planeten permanent är vänd mot sin sol stormar den torra atmosfären runt till nattsidan i superorkanhastighet i en hastighet av mer än 4200 km/h . På den mörka sidan svalnar  kiselmonoxiden då tillräckligt mycket för att kondensera till sten som regnar ut ur bildade moln där. Men även i gryning- och skymningszonen är planeten tillräckligt varm för att förånga sten.

"Vi visste att vi hade sett något riktigt intressant att upptäcka i den här kiselmonoxidfunktionen", säger Josh Lothringer vid Utah Valley University i Orem, Utah. 

I en rapport publicerad i 24 januari-utgåva av Astrofysiska tidskriftsbrev, Guangwei Fu vid University of Maryland, College Park, rapporterades om en superhet Jupiterliknande planet med namnet  KELT-20b, som ligger cirka 400 ljusår bort. På denna planet skapas en explosion av ultraviolett ljus från dess moderstjärna ett termiskt lager i atmosfären, ungefär som jordens stratosfär. "Hittills visste vi aldrig hur stjärnan (planetens sol) påverkade en planets atmosfär direkt. Det har funnits många teorier, men nu har vi de första observationsdata någonsin," sa Fu. Data från WSP-8b som kan jämföras med vad som sker på KELT-20b

Som jämförelse absorberar ozon i atmosfären UV-ljus på jorden och höjer temperaturen i ett skikt mellan sju och 31 mil över jordens yta. På KELT-20b värmer UV-strålningen från stjärnan metaller i atmosfären vilket ger ett mycket starkt termiskt inversionslager.

Bevisen kom från Hubbles upptäckt av vatten av observationer området i närheten av det infraröda fältet och från NASA:s Rymdteleskop Spitzers upptäckt av kolmonoxid. Detta strålar genom det heta, transparenta övre atmosfären som då skapar inversionsskiktet. Denna signatur är unik från vad astronomer ser i atmosfären hos heta Jupiters som kretsar kring svalare stjärnor som vår sol. "Detta är övertygande bevis på att planeter inte lever isolerat utan påverkas av sin sol."

Även om superheta Jupiters är obeboeliga hjälper denna typ av forskning till att bana väg för att bättre förstå atmosfären på potentiellt beboeliga jordplaneter. "Om vi inte kan ta reda på vad som händer på superheta Jupiters där vi har tillförlitliga solida observationsdata kommer vi inte att ha en chans att ta reda på vad som händer i svagare spektra från jordlika exoplaneter", säger Lothringer.

"Detta är ett test av våra tekniker som gör att vi kan bygga en allmän förståelse för fysiska egenskaper som molnbildning och atmosfärisk struktur."

Bild vikipedia Storleksförhållande mellan Jupiter och den ovan beskrivna WASP-8b

Väderfenomen är universella och finns överallt i universum

Väder har vi på Jorden, lufttryck och rörelser i atmosfären vilket ger stormar och vindar. I haven finns det strömmar.

Men väderfenomen finns även på solen.

Detta om man ser väder på samma vis som strömmarna i haven. Fenomen i solens plasma vilket ger strömningar likt jordiska stormar och vindar likt vi även ser på ex Jupiter.

Rörelser i solens plasma och solvindars utsändande har med solens rotation och rörelse i plasmautkasten i dess inre att göra. På Jorden är det Jordens rörelse och skilda slag av rörelse i atmosfären tillsammans med den strålning som kommer in från solen som påverkar vädret om vi ser det kortfattat. Temperatur och Jordens rörelser påverkar havsströmmarna.

Men allt sammantaget på skilda platser i universum kan man se som samma fenomen av rörelse och påverkansmönster (dock inte alltid som vi förstår).

Solens så kallade väder är även något helt naturligt. Kanske vi i framtiden har prognoser på Solens väder likt vi har koll på dennes återkommande 11 åriga solfläckscykel vilken kan påverka elektroniken katastrofalt om det vill sig illa.

Bild solen där man ser en soleruption.

Så spåddes vädret in i vår tid med hjälp av Vintergatan.

När jag växte upp hade jag en kompis vars fader  på hösten spådde kommande vinters väder. Han tittade på Vintergatan och beroende på dess klarhet i skyn kunde han säga hur kall eller snöig vintern kunde bli. Senare år klarade han inte av det då han sa att dagens luftföroreningar förstörde möjligheten.

Det var en mycket gammal teknik han använde.

Vi vet idag att namnet Vintergatan kommer just av mycket gammal väderspådomskonst  från vädersiare från asatiden och troligen än längre tillbaks i Sveriges historia. Säkert siade man då på samma vis som min kompis fader gjorde fram till 1970-talet.

Detta gäller Sverige i många andra länder kallas Vintergatan Milky Way efter en saga om Herakles. Det konstiga är att om vi bara går till Danmark kallas den inte heller här Vintergatan utan Maelkevejen och så även Norge.

Om vintervädret spåddes utifrån Vintergatan där vet jag inte. Kanske det var en unik metod från enbart det gamla Sverige. Men då jag finns i södra Sverige och mannen jag talde om även denne fanns här bör kunskapen funnits i det gamla östdanska riket varifrån jag också bor. Vi var ju danskar här i söder fram till mitten av 1600-talet.