Вперше отримано детальну інформацію про темну сторону "гарячого Юпітера"

Астрономи отримали найчіткіше уявлення про вічно темну сторону екзопланети, яка "припливно заблокована" до своєї зірки. Їхні спостереження в поєднанні з вимірюванням постійно денної сторони планети дають перше детальне уявлення про глобальну атмосферу екзопланети.

Про це розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

«Тепер ми виходимо за межі ізольованих знімків конкретних регіонів атмосфер екзопланет та вивчаємо їх як тривимірні системи, якими вони насправді є», – говорить Томас Мікал-Еванс, який очолив дослідження у якості постдокторанта в Інституті астрофізики та космосу ім. Кавлі при MIT.

Планетою в центрі нового дослідження є WASP-121b – масивний газовий гігант, за розміром майже вдвічі більший за Юпітер. Планета є ультрагарячим Юпітером і була виявлена у 2015 році на орбіті зірки, розташованої приблизно за 850 світлових років від Землі. WASP-121b має одну з найкоротших орбіт, виявлених на сьогодні: вона здійснює один оберт навколо своєї зірки лише за 30 годин. Вона також припливно заблокована, так що її "денна" сторона, повернута до зірки, постійно підсмажується, а її "нічна" сторона завжди повернута до космосу.

«Гарячі Юпітери відомі тим, що мають дуже яскраві денні сторони, але нічна сторона – це зовсім інша справа. Нічна сторона WASP-121b приблизно у 10 разів тьмяніша, ніж денна», – говорить Тансу Дайлан, постдок у роботі зі Супутником спостережень за транзитами екзопланет (TESS) з MIT та співавтор дослідження.

Раніше астрономи вже виявили водяну пару та вивчили, як з висотою змінюється температура атмосфери на денній стороні планети.

Нове вчення дає набагато більш детальну картину. Дослідники змогли скласти карту різких змін температури від денної до нічної сторони та побачити, як ці температури змінюються з висотою. Вони також відстежили присутність води в атмосфері, щоб вперше показати, як вода циркулює між денною та нічною сторонами планети.

У той час як на Землі вода у своєму колообігу спочатку випаровується, потім конденсується в хмари й врешті випадає дощем, на WASP-121b циркуляція води набагато інтенсивніша: на денній стороні атоми, з яких складається вода, розриваються при температурі понад 3000 градусів Кельвіна. Ці атоми переносяться на нічну сторону, де більш низькі температури дозволяють атомам водню та кисню рекомбінуватись у молекули води, які потім повертаються на денну сторону, де цикл починається знову.

За підрахунками команди, колообіг води на планеті підтримується вітрами, які розносять атоми по планеті зі швидкістю до 5 кілометрів на секунду.

Також виявилося, що не лише вода циркулює по планеті. Астрономи встановили, що нічна сторона досить холодна, щоб на ній перебували екзотичні хмари із заліза та корунду — мінералу, з якого складаються рубіни та сапфіри. Ці хмари, як і водяна пара, можуть проникати на денну сторону, де високі температури випаровують метали в газоподібну форму. Дорогою може виникнути екзотичний дощ, наприклад, рідкі дорогоцінні камені з корундових хмар.

«Завдяки цим спостереженням ми дійсно отримуємо глобальне уявлення про метеорологію екзопланети», — каже Мікал-Еванс.

День і ніч

Команда спостерігала за WASP-121b за допомогою спектроскопічної камери на борту космічного телескопа Хаббл. Цей прилад спостерігає за світлом планети та її зірки та розбиває це світло на складові довжини хвиль, інтенсивність яких дає астрономам підказки щодо температури та складу атмосфери.

Завдяки спектроскопічним дослідженням вчені вивчили деталі атмосфери на денній стороні у багатьох екзопланет. Але зробити те ж саме для нічної сторони набагато складніше, оскільки для цього потрібно стежити за незначними змінами у всьому спектрі планети, коли вона обертається навколо своєї зірки.

Для нового дослідження команда спостерігала за WASP-121b протягом двох повних орбіт — одну у 2018 році, а іншу у 2019 році. Для обох спостережень дослідники переглянули дані про світло на конкретну лінію або спектральну особливість, що вказує на наявність водяної пари.

«Ми побачили цю водяну особливість і відобразили як вона змінювалася на ділянках орбіти планети», – каже Мікал-Еванс. «Тут закодовано інформацію про те, як температура атмосфери планети залежить від висоти».

Змінні характеристики води допомогли команді скласти карту температурного профілю як денної, так і нічної сторони. Вони виявили, що температура денної сторони варіюється від 2500 Кельвінів у найглибшому спостережуваному шарі до 3500 Кельвінів у верхніх шарах. На нічній стороні варіюється від 1800 Кельвінів у найглибшому шарі до 1500 Кельвінів у верхніх шарах атмосфери. Цікаво, що температурні профілі мінялися місцями, зростаючи з висотою на денній стороні — "теплова інверсія" за метеорологічною термінологією — і знижуючись з висотою на нічній стороні.

Потім дослідники пропустили температурні карти через різні моделі, щоб визначити хімічні речовини, які ймовірно існують в атмосфері планети, з огляду на конкретні висоти та температури. Це моделювання виявило можливість існування на нічній стороні хмар з металів, таких як залізо, корунд і титан.

За результатами температурного картування команда також помітила, що найгарячіша область планети зміщена на схід від "підзоряної" області безпосередньо під зіркою. Вони прийшли до висновку, що це зміщення пов’язане із сильними вітрами.

«Газ нагрівається у підзоряній точці, але перш ніж він встигне випромінитися в космос, його відкидає на схід», — пояснює Мікал-Еванс.

З огляду на величину зміщення, команда підрахувала, що швидкість вітру становить близько 5 кілометрів на секунду.

«Ці вітри набагато швидші, ніж наші струменеві течії та, ймовірно, можуть перемістити хмари по всій планеті приблизно за 20 годин», – говорить Дейлан, який керував попередніми роботами на планеті за допомогою місії TESS, керованої MIT.

Астрономи зарезервували час на космічному телескопі Джеймса Вебба, щоб поспостерігати за WASP-121b пізніше у цьому році, і сподіваються відобразити зміни не лише водяної пари, а й чадного газу, який, як припускають вчені, повинен перебувати в атмосфері.

«Це був би перший випадок, коли ми могли б виміряти молекулу, що містить вуглець, в атмосфері цієї планети», — каже Мікал-Еванс. «Кількість вуглецю та кисню в атмосфері дає підказки про те, де формуються такі планети».

Дослідження було опубліковано в Nature Astronomy. Серед співавторів дослідження – співробітники MIT, Університету Джона Хопкінса, Каліфорнійського технологічного інституту та інших установ.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.