استخدمت فرق البحث العلمي الأمريكية والأوروبية تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) لاكتشاف اختلافات كبيرة في خصائص الغلاف الجوي لـ "جانب شروق الشمس" و"جانب غروب الشمس" لكوكب خارجي شديد الحرارة يشبه كوكب المشتري، WASP-121 b. يعد هذا أحد أوضح الأدلة حتى الآن، مما يشير إلى أن البيئة في المنطقة الحدودية ليلا ونهارا للكوكب (منطقة الخط النهائي) ستتغير بشكل كبير عند خطوط الطول المختلفة. وقد قاد معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA) في هايدلبرغ بألمانيا النتائج ذات الصلة، وتم نشرها في مجلة Nature Astronomy.
أجرى فريق البحث، بقيادة طالب الدكتوراه في MPIA Cyril Gapp، تحليلًا تفصيليًا لبنية درجة الحرارة والتركيب الكيميائي للغلاف الجوي لـ WASP-121 b باستخدام أطياف الأشعة تحت الحمراء التي حصل عليها تلسكوب جيمس ويب الفضائي أثناء عبور الكوكب. عندما يمر كوكب بنجمه الأم أمام خط رؤيتنا، فإن جزءًا من ضوء النجم سيمر عبر الغلاف الجوي للكوكب ثم يصل إلى التلسكوب. يتغير الامتصاص عند أطوال موجية مختلفة في الطيف ويسجل معلومات حول تكوين الغاز ودرجة الحرارة في الغلاف الجوي. ووجد الفريق أن هناك عدم تناسق واضح في امتصاص الغلاف الجوي للكوكب للأشعة تحت الحمراء في بداية العبور ونهايته. ويشير هذا الخلل إلى الفارق الكبير في الظروف الجوية على جانبي خطي النهاية "الصباحي" و"المسائي" للكوكب.
يُظهر تحليل البيانات أن جانب غروب الشمس من الكوكب (فاصل المساء) يمتص ضوءًا نجميًا أكثر بكثير من جانب شروق الشمس، وهو ما يتوافق إلى حد كبير مع نمط الرياح عالية السرعة على ارتفاعات عالية والتي تنبأت بها النظرية. تعتقد النماذج الموجودة أنه على مثل هذه الكواكب الغازية العملاقة شديدة الحرارة، ينقل الجانب النهاري الحار الحرارة إلى الجانب الليلي الأكثر برودة، ويتدفق نظام الرياح السائد شرقًا أثناء دوران الكوكب، وبالتالي تسخين الغلاف الجوي على الجانب المسائي بشكل أكثر كثافة. يؤدي ارتفاع درجات الحرارة إلى تمدد الغلاف الجوي في هذه المنطقة، مما يجعل "نصف قطر الكوكب" المكافئ بصريًا أكبر قليلاً وبالتالي يمتص المزيد من الإشعاع من النجم الأم.
وتُظهر عمليات الرصد باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي (NIRSpec) أيضًا أن إشارة امتصاص أول أكسيد الكربون (CO) تزداد خلال النصف الثاني من العبور، بينما ينخفض السطوع الإجمالي للنظام قليلاً. لاحظ الباحثون أن تعزيز إشارة ثاني أكسيد الكربون يعكس في المقام الأول التغيرات الهيكلية في درجة الحرارة بدلاً من زيادة وفرة أول أكسيد الكربون في حد ذاته. في المقابل، تظهر جزيئات الماء (H₂O) علامات حقيقية على التراجع: حيث ترتفع درجات الحرارة بدرجة كافية لتكسير جزيئات الماء في الغلاف الجوي العلوي، مما يؤدي إلى تقسيمها إلى ذرات أو مجموعات أخف وزنا، مما يوفر دليلا إضافيا على أن الرياح القوية تسخن خط النهاية المسائي.
WASP-121 b هو كوكب "المشتري الحار" الشديد. تم قفل مداره ودورانه بواسطة قوى المد والجزر، وتتزامن فترة دورانه وفترة دورانه، وكلاهما حوالي 30 ساعة. لذلك، يواجه الجانب نفسه دائمًا النجم الأم، مشكلاً نصفي كرة نهار دائم وليلة دائمة. وأظهرت دراسات سابقة أن متوسط درجة الحرارة في الجانب النهاري للكوكب يبلغ حوالي 2770 كلفن والجانب الليلي حوالي 1000 كلفن. عند تحويلها إلى درجة مئوية، تكون درجة حرارة الجانب النهاري قريبة من 2500 درجة مئوية، بينما تكون درجة الحرارة على الجانب الليلي حوالي 725 درجة مئوية. أثناء العبور، نظرًا لأن الكوكب قريب جدًا من النجم، حوالي 1.9 قطر نجمي فقط، فإن الكوكب نفسه سيدور حوالي 30 درجة من الدخول إلى قرص النجم، مما يسمح للتلسكوب بـ "مسح" مناطق الغلاف الجوي على خطوط طول مختلفة في عبور واحد.
من حيث هندسة المراقبة، يرى النصف الأول من العبور بشكل رئيسي الجانب الليلي وجزء من جانب النهار "قوس الصباح" بالقرب من الجانب الصباحي، بينما يتحول النصف الثاني من العبور إلى الجانب الليلي و"قوس الشفق" على الجانب المسائي. يستخدم علماء الفلك مقاييس الطيف لتقسيم الضوء الذي يتلقونه إلى أطوال موجية مختلفة. تمامًا كما يقسم المنشور الضوء الأبيض إلى قوس قزح، تترك الغازات المختلفة بصمات امتصاص في نطاقات محددة من الطول الموجي، مما يكشف عن التركيب الكيميائي للغلاف الجوي. المفتاح لهذه الدراسة هو أن الفريق لم يقم ببساطة بحساب متوسط بيانات العبور بأكملها كما هو الحال في الممارسة التقليدية، ولكنه سمح للإشارة الطيفية بالتغير بمرور الوقت، ثم استعاد الاختلافات الجوية مع خطوط الطول من خلال التحليل الإحصائي.
وأشار سيريل جاب وزملاؤه إلى أنه في WASP-121 b، يدور الكوكب حوالي 30 درجة أثناء العبور الكامل، وهو ما يكفي للتمييز بوضوح بين خطي نهاية "خط الصباح" و"خط الشفق" في البيانات. عندما قاموا بإسقاط الإشارات الطيفية المحددة زمنيًا في بُعد خط الطول، وجدوا أن النموذج الذي قدم عدم تناسق خطوط الطول كان أفضل بكثير من النموذج التقليدي الذي تم حساب متوسطه عبر العبور بأكمله. وأيدت النتائج الإحصائية بقوة الاستنتاج القائل بأن "الأجواء على الجانبين في الصباح والمساء مختلفة بالفعل".
ولاختبار ما إذا كان اختلاف درجة الحرارة كافيًا لتفسير عدم التماثل الملحوظ، استخدم الفريق نموذجًا ثلاثي الأبعاد للدوران العام لمحاكاة عمليات نقل الحرارة في الغلاف الجوي العلوي للعملاق الغازي. تستنسخ النماذج بصمة الامتصاص غير المتماثلة الناجمة عن التدرج الحراري في الاتجاهات العامة، لكن شدة الإشارة المحاكاة لا تزال أقل من الملاحظات الفعلية، مما يشير إلى احتمال وجود آليات تبريد إضافية على الجانب الصباحي للكوكب. أحد التفسيرات المحتملة التي اقترحها الباحثون هو "السحب المعدنية": فقد اعتقدت الدراسات السابقة أنه قد تكون هناك سحب مكونة من معادن مثل السيليكات على WASP-121 b. وهي ليست سحبًا من قطرات الماء، ولكنها سحب من الجسيمات المعدنية تشكلت عند درجات حرارة عالية.
تحجب هذه السحب المعدنية الأشعة تحت الحمراء من الطبقات العميقة والأكثر سخونة في الغلاف الجوي، مما يجعل الغلاف الجوي العلوي يبدو أكثر برودة مما هو عليه بالفعل. ومع ذلك، تحت تأثير الرياح عالية السرعة، والاختلافات الشديدة في درجات الحرارة والإشعاع القوي المستمر، فإن عمليات تكوين وتكثيف وتبخر ونقل جزيئات السحابة معقدة للغاية. في الوقت الحالي، لا تستطيع معظم النماذج العددية للغلاف الجوي دمج هذه التفاصيل الفيزيائية الدقيقة بشكل كامل. وفي هذه الدراسة قام الباحثون بتعديل النموذج وإضافة تأثير حجب السحب على الأشعة تحت الحمراء بطريقة مبسطة. تم تحسين الاتفاق بين نتائج المحاكاة وملاحظات JWST بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فقد أكدوا أيضًا على أنه لا تزال هناك حاجة إلى نماذج أكثر تقدمًا والمزيد من عمليات الرصد لتأكيد وجود السحب المعدنية أخيرًا على WASP-121 b.
لا يكشف هذا العمل عن اختلافات خطوط الطول في الغلاف الجوي للكوكب WASP-121 b فحسب، بل يوضح أيضًا طريقة جديدة لاستكشاف بنية الأجواء المتطرفة للكواكب الخارجية. مع استمرار تحسين نماذج الدوران الجوي والنقل الإشعاعي، من المتوقع أن يستخدم الباحثون نفس تقنية "العبور الدوار" لرسم ملامح جوية زوالية مماثلة على المزيد من الكواكب الغازية العملاقة فائقة السخونة. وقد اختار الفريق البحثي مجموعة من الكواكب المستهدفة المناسبة لعمليات رصد مماثلة من حيث نطاق درجات الحرارة والدوران وفترة الثورة. في المستقبل، ومن خلال المقارنة المنهجية، من المتوقع الإجابة عما إذا كان هناك نمط مشترك في اتجاه خط الطول لهذه الكواكب المتطرفة، وكيف تشكل الظروف الفيزيائية المختلفة بيئاتها الجوية.
وفقًا للورقة البحثية، فإن بيانات رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي المستخدمة في هذه الدراسة تأتي من مشاريع متعددة، بما في ذلك مشروع المراقبة المنتظم GO #1729 ("منحنى طور NIRSpec للكوكب فائق الحرارة WASP-121b")، بقيادة توماس إيفانز-سوما، ومشروع المراقبة المحجوز GTO #1201 ("مسح NIRISS للتنوع الجوي للكواكب الخارجية العابرة") بقيادة ديفيد لافرينير. تم تكليف أداة NIRSpec من قبل وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ليتم تطويرها من قبل الصناعة الأوروبية. شركة إيرباص للدفاع والفضاء في أوتوبرون بألمانيا هي المقاول الرئيسي. شاركت MPIA في تطوير المكونات الرئيسية مثل عجلات الترشيح وعجلات الشبكة. تم توفير الكاشف ونظام الفتحة الدقيقة من قبل مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا.
يعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي حاليًا أحد أهم مرافق المراقبة الفلكية الفضائية في العالم. يتم تشغيله بشكل مشترك من قبل إدارة الفضاء الوطنية (ناسا)، ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، ووكالة الفضاء الكندية (CSA). وهو مخصص للاستكشاف العلمي المتطور في العديد من المجالات، بدءًا من الغلاف الجوي للكواكب الخارجية وحتى المجرات المبكرة للكون. إن التقاط هذه الاختلافات الدقيقة على "الخط الفاصل بين النهار والليل" للعوالم المتطرفة مثل WASP-121 b يساعد العلماء على توسيع فهمهم لمناخ الكواكب وديناميكيات الغلاف الجوي، كما يوفر أدوات جديدة لإيجاد وتقييم الظروف البيئية للعوالم البعيدة في المستقبل.