Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» впервые достоверно нашел в атмосфере экзопланеты монооксид кремния. Целью наблюдений был ультрагорячий юпитер WASP-121b, для которого ученые не только оценили состав и структуру атмосферы, но и наложили серьезные ограничения на модель формирования планеты. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.
Ультрагорячие юпитеры — газовые гиганты с орбитальным периодом менее трех дней, внешние оболочки которых могут разогреваться до огромных температур из-за близости родительских звезд, поэтому наблюдения за ними помогают изучать свойства планетарных атмосфер в экстремальных условиях. Кроме того, интересно понять, где в протопланетном диске такие объекты формировались и как мигрировали близко к звезде, а также, как распадаются их орбиты под действием приливных сил.
Группа астрономов во главе с Томасом Эвансом-Сомой (Thomas Evans-Soma) из Института астрономии Общества Макса Планка опубликовала результаты анализа непрерывных наблюдений за тепловым излучением от ультрагорячего юпитера WASP-121b во время полного оборота экзопланеты при помощи спектрографа NIRSpec «Джеймса Уэбба». Наблюдения длились в течение 37,8 часа в октябре 2022 года и включали в себя два вторичных затмения (экзопланета проходит позади звезды) и один транзит (экзопланета проходит перед звездой). Целью наблюдений была оценка содержания в атмосфере экзопланеты одновременно как летучих, так и тугоплавких веществ, и изучение ее структуры путем сравнения моделирования с данными наблюдений.
WASP-121b обращается вокруг звезды спектрального класса F6V с периодом около 30,6 часа и находится в 850 световых годах от Солнца. Эффективная температура дневной стороны этого ультрагорячего юпитера, обладающего массой около 1,157 массы Юпитера, составляет более двух тысяч кельвинов. Экзопланета уже попадала в поле зрения планетологов — ранее у нее впервые обнаружили стратосферу и измерили температуру на разных сторонах.
Наблюдения с большой статистической значимостью выявили водяной пар (5,5–13,5 сигм), угарный газ (10,8–12,8 сигм) и монооксид кремния (5,7–6,2 сигм) в атмосфере дневной стороны экзопланеты, а также метан (3,1–5,1 сигм) — в атмосфере ночной стороны. В случае монооксида кремния это первое однозначное обнаружение в планетарной атмосфере этой молекулы, которая входит в состав облаков на горячих экзопланетах и ответственна за создание тепловой инверсии как сильный поглотитель коротковолнового излучения.
Ученые также определили, что соотношения содержания C/H, O/H, Si/H и C/O для WASP-121b оказались в несколько раз больше, чем для родительской звезды, что позволяет наложить ограничения на модель образования этого ультрагорячего юпитера. Предполагается, что экзопланета сформировала большую часть своей внешней оболочки путем аккреции вещества из протопланетного диска за пределами водной снеговой линии, но в пределах снеговой линии для метана. В этой области диска содержание углерода в газовой фазе может быть увеличено за счет испарения оболочек гальки (твердые частицы диаметром от миллиметра до метра), богатых метаном. Затем внешняя оболочка обогатилась тугоплавкими веществами в твердой фазе путем аккреции планетезималей. Расчетная масса аккрецированного на экзопланету тугоплавкого материала составляет около 21,2 массы Земли.
Что же касается структуры атмосферы, то на дневной стороне заметна тепловая инверсия — увеличение температуры с 2600 до 3200 кельвин в диапазоне давлений от 10−1 до 10−3 бар. На ночной стороне экзопланеты в этом диапазоне давлений температура падает с 1400 до 1100 кельвин. Обнаружение обилия метана на ночной стороне не предсказывалось моделями горячих газовых гигантов, включающих в себя повышенное содержание углерода по сравнению с кислородом и горизонтальные ветра, и может быть объяснено моделью, где концентрация метана на ночной стороне пополняется из более глубоких и холодных слоев планеты за счет вертикального перемешивания. Это также объясняет, почему кремний не захватывается в холодные ловушки на ночной стороне WASP-121b. Необнаружение водяного пара, монооксида кремния и угарного газа на ночной стороне также связывается с увеличением непрозрачности атмосферы из-за метана.
Рекордсменом по равновесной температуре среди экзопланет остается ультрагорячий юпитер KELT-9b — он горячее фотосфер некоторых карликовых звезд. А еще в его атмосфере нашли самый тяжелый элемент из когда-либо обнаруженных во внешних оболочках планет.