Возможность обнаружения химических элементов калия и натрия в атмосферах горячих юпитеров была предсказана 20 лет назад. Уже на ранних этапах поисков при помощи наблюдений с высоким разрешением был обнаружен натрий. Но калий в атмосферах экзопланет достоверно обнаружить не удавалось.
Химические элементы могут быть обнаружены при анализе спектра звёздного света, который проходит сквозь атмосферу планеты во время прохождения планеты по диску звезды. Атмосфера планеты, которая состоит из различных элементов, активно поглощает звёздный свет. На спектре света звезды это поглощение проявляется в виде тёмных полос, которые раскрывают химический состав атмосферы планеты. Однако присутствие облаков в атмосфере горячих юпитеров сильно ослабляет проявление химических элементов в спектре и делает их очень трудными для обнаружения.
Горячий Юпитер HD 189733 b изучен лучше всех остальных, но до сих пор учёные не могли доказать наличие калия в его атмосфере. Экзопланета расположена на расстоянии 64 световых лет от нас. Она за 53 часа обращается вокруг красного карлика, к которому в 30 раз ближе, чем Земля к Солнцу.
Чтобы точно определить присутствие калия в атмосферных слоях над облаками, учёные воспользовались Большим Бинокулярным Телескопом (LBT). Его разрешающая способность — одна из самых лучших в мире со спектрографом с высоким разрешением PEPSI (Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument). PEPSI хорошо подходит для этой задачи благодаря его высокому спектральному разрешению и возможности собирать больше информации в очень узких спектральных линиях, чем любая другая комбинация инструментов телескоп-спектрограф.
Научная группа из Потсдамского астрофизического института (Astrophysikalisches Institut Potsdam) применила метод, который называется абсорбционная спектроскопия. Учёные взяли данные спектров, полученные во время прохождения экзопланеты по диску звезды, и сравнили признаки химических элементов. Они обнаружили линии поглощения калия, которые исчезали до и после прохождения HD 189733 b по диску звезды. Это указывает, что поглощение вызвано атмосферой экзопланеты.
Другие исследовательские группы ранее уже пытались обнаружить калий в атмосфере этой экзопланеты, однако либо ничего не было найдено, либо данные не были статистически значимыми. Это первое исследование, в результате которого было подтверждено присутствие калия в атмосфере экзопланеты.
Этот же метод учёные применили при исследовании ещё одного горячего юпитера — HD 209458 b. Полученный результат не оказался убедительным для заключения о присутствии калия в атмосфере экзопланеты. Хотя обе планеты могли сформироваться в ходе различных эволюционных сценариев, учёные предполагают, что они могли содержать одинаковое количество калия, поскольку обращаются вокруг звезды с высоким показателем содержания тяжёлых химических элементов (металлов).
По мере формирования и наращивания вокруг себя атмосферной оболочки, газовые гиганты притягивают к себе планетезимали, которые обогащают их атмосферу металлами, такими как натрий и калий. Поэтому такие экзопланеты могут обладать даже большим содержанием металлов, чем их родительская звезда.
С помощью новых данных учёные сравнили интенсивность линий поглощения калия и натрия. Это помогло узнать больше о физико-химических процессах в атмосферах этих экзопланет. Например, несмотря на то, что обе экзопланеты схожи по характеристикам (размеру, орбитальному периоду и температуре), моделирование показывает, что формирование облаков на HD 189733 b происходит при более низкой плотности ввиду её более сильного гравитационного поля и плотности образующих облака частиц. Тогда как на HD 209458 b облака состоят из пыли и простираются на большее расстояние.
Слабые признаки калия в атмосфере этой экзопланеты учёные объясняют тем, что калий может конденсироваться в нижних слоях атмосферы, либо истощаться в результате процесса фотоионизации в верхних слоях атмосферы. Именно это происходит с натрием в атмосфере HD 209458 b, который конденсируется при более высокой температуре, поэтому учёные ожидали, что калий на второй экзопланете будет более распространён.
Источник: academic.oup.com
Перевод: Black Sahara