Астрономы Массачусетского технологического института получили наиболее точную на сегодняшний день картину темной стороны экзопланеты, которая находится в приливной связи со своей звездой. Их наблюдения в сочетании с измерениями дневной стороны планеты дают первую подробную картину глобальной атмосферы экзопланеты.
Сейчас мы выходим за рамки единичных снимков конкретных областей атмосфер экзопланет и рассматриваем их как трехмерные системы, которыми они на самом деле являются, — говорит Томас Микал-Эванс, который руководил исследованиями в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института.
Планета в центре новой работы, которая появилась в Nature Astronomy 21 февраля 2022 года, — это WASP-121b, массивный газовый гигант, почти в два раза превышающий размер Юпитера. Очень горячий юпитер был обнаружен в 2015 году и вращается вокруг звезды на расстоянии около 850 световых лет от Земли. Планета WASP-121b имеет одну из самых коротких орбит из когда-либо обнаруженных и совершает оборот вокруг своей звезды всего за 30 часов. Она также захвачена приливными силами, а это означает, что ее дневная сторона всегда обращена к звезде, а ночная сторона всегда обращена к космосу.
Известно, что у горячих юпитеров очень яркая дневная сторона, но ночная сторона совсем иная. Ночная сторона WASP-121b примерно в 10 раз слабее дневной, говорит Тансу Дайлан из Массачусетского технологического института из миссии TESS под руководством NASA, которая является соавтором исследования.
Ранее астрономы обнаружили водяной пар и изучили, как меняются температура и высота атмосферы на дневной стороне планеты.
Новое исследование рисует гораздо более подробную картину. Ученые смогли нанести на карту резкие перепады температуры между дневной и ночной сторонами планеты и увидеть, как температура меняется с высотой. Они также проследили присутствие воды в атмосфере, чтобы впервые показать, как вода циркулирует между дневной и ночной сторонами планеты.
Если на Земле вода сначала испаряется, затем конденсируется в облака, а затем выпадает, то на WASP-121b круговорот воды гораздо интенсивнее. На дневной стороне атомы, из которых состоит вода, разрушаются при температуре более 3000 К. Эти атомы уносятся ветром на ночную сторону, где более низкие температуры позволяют атомам водорода и кислорода воссоединиться в молекулы воды, которые затем выбрасываются обратно на поверхность дневной стороны, где цикл начинается сначала.
Также оказывается, что вокруг планеты циркулирует не только вода. Астрономы обнаружили, что на ночной стороне достаточно холодно, чтобы в ней обитали экзотические облака железа и корунда, минералов, из которых сделаны рубины и сапфиры. Эти облака, подобно водяному пару, могут перемещаться на дневную сторону, где при высоких температурах металлы испаряются, образуя газ. По пути могут образовываться экзотические дожди, например из жидких корундовых облаков.
Благодаря этому наблюдению мы получаем поистине глобальную картину метеорологии экзопланеты, — говорит Микал-Эванс.
День и ночь
Команда наблюдала за WASP-121b с помощью спектроскопической камеры на борту космического телескопа «Хаббл». Этот инструмент наблюдает свет от планеты и ее звезды, а затем разбивает его на длины волн, интенсивность которых дает астрономам информацию о температуре и составе атмосферы.
С помощью спектроскопических исследований ученые наблюдали детали атмосферы на дневной стороне многих экзопланет. Однако сделать то же самое для ночной стороны гораздо сложнее, так как необходимо наблюдать небольшие изменения всего спектра планеты, вращающейся вокруг своей звезды.
В новом исследовании команда наблюдала за WASP-121b на двух полных орбитах — в 2018 и 2019 годах. Во время обоих наблюдений исследователи искали определенную линию или спектральное свойство в данных свечения, которые указывали бы на присутствие водяного пара.
Мы увидели это свойство воды и нанесли на карту, как оно меняется в разных частях орбиты планеты, — говорит Микал-Эванс. Это кодирует информацию о том, как температура атмосферы планеты ведет себя в зависимости от высоты.
Меняющиеся свойства воды помогли команде определить температурный профиль как дневной, так и ночной сторон. Установлено, что температура на дневной стороне колеблется от 2500 К в самом глубоком наблюдаемом слое до 3500 К в самых высоких слоях. Ночная сторона колеблется от 1800 К во внутреннем слое до 1500 К в верхних слоях атмосферы. Интересно, что профили температуры оказались инвертирующими, увеличиваясь с высотой на дневной стороне, что в метеорологической терминологии называется «тепловая инверсия», и падающей с высотой на ночной стороне.
Затем исследователи прогнали температурные карты через различные модели, чтобы определить химические вещества, которые могут присутствовать в атмосфере планеты, учитывая определенные высоты и температуры. Это моделирование выявило возможность наличия металлических облаков, таких как железо, корунд и титан, на ночной стороне.
Команда также заметила на картах температуры, что самая горячая область планеты смещена к востоку от области непосредственно под звездой. Они пришли к выводу, что это смещение было вызвано сильным ветром.
Основываясь на смещении, команда оценивает скорость ветра примерно в 5 км/с.
Астрономы выделили время на космическом телескопе Джеймса Уэбба для наблюдения за WASP-121b в конце этого года и надеются составить карту изменений не только в водяном паре, но и в угарном газе, который, как подозревают ученые, должен быть в его атмосфере данной экзопланеты.
Это будет первый раз, когда мы сможем измерить количество углеродсодержащих молекул в атмосфере этой планеты», — говорит Микал-Эванс. — Количество углерода и кислорода в атмосфере дает представление о том, где формируются эти типы планет.