Астрономы Массачусетского технологического института получили самое четкое представление о вечной темной стороне экзопланеты, которая «приливно привязана» к своей звезде. Их наблюдения в сочетании с измерениями постоянной дневной стороны планеты дают первое подробное представление о глобальной атмосфере экзопланеты.

«Теперь мы выходим за рамки изолированных снимков определенных областей атмосфер экзопланет, чтобы изучать их как трехмерные системы, которыми они действительно являются», — говорит Томас Микал-Эванс, который руководил исследованием в качестве постдока в Институте астрофизики и космоса им. Кавли при Массачусетском технологическом институте. Исследование.

Планета в центре нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy , — это WASP-121b, массивный газовый гигант, почти в два раза больше Юпитера. Эта планета является сверхгорячим Юпитером и была обнаружена в 2015 году на орбите вокруг звезды на расстоянии около 850 световых лет от Земли. WASP-121b имеет одну из самых коротких орбит, обнаруженных на сегодняшний день, и совершает оборот вокруг своей звезды всего за 30 часов. Он также заблокирован приливами, так что его обращенная к звездам «дневная» сторона постоянно поджаривается, а его «ночная» сторона навсегда повернута к космосу.

«Горячие юпитеры известны тем, что имеют очень яркие дневные стороны, но ночная сторона — совсем другое дело. Ночная сторона WASP-121b примерно в 10 раз тусклее, чем ее дневная сторона», — говорит Тансу Дайлан, постдоктор TESS в Массачусетском технологическом институте, который является соавтором. исследование.

Ранее астрономы обнаружили водяной пар и изучили, как температура атмосферы меняется с высотой на дневной стороне планеты.

Новое исследование дает гораздо более подробную картину. Исследователи смогли нанести на карту резкие изменения температуры с дневной на ночную сторону и увидеть, как эти температуры меняются с высотой. Они также отследили присутствие воды в атмосфере, чтобы впервые показать, как вода циркулирует между дневной и ночной сторонами планеты.

В то время как на Земле круговорот воды сначала испаряется, затем конденсируется в облака, а затем выливается дождем, на WASP-121b круговорот воды гораздо более интенсивен: на дневной стороне атомы, составляющие воду, разрываются на части при температуре выше 3000°С. Кельвин. Эти атомы уносятся ветром на ночную сторону, где более низкие температуры позволяют атомам водорода и кислорода рекомбинировать в молекулы воды, которые затем уносятся обратно на дневную сторону, где цикл начинается снова.

Команда подсчитала, что круговорот воды на планете поддерживается ветрами, которые гонят атомы вокруг планеты со скоростью до 5 километров в секунду, или более 11 000 миль в час.

Также оказывается, что не только вода циркулирует по планете. Астрономы обнаружили, что ночная сторона достаточно холодная, чтобы вместить экзотические облака железа и корунда — минерала, из которого состоят рубины и сапфиры. Эти облака, подобно водяному пару, могут перемещаться на дневную сторону, где высокие температуры превращают металлы в газообразное состояние. По пути может образовываться экзотический дождь, например, жидкие драгоценные камни из корундовых облаков.

«Благодаря этому наблюдению мы действительно получаем глобальное представление о метеорологии экзопланеты», — говорит Микал-Эванс.

В число соавторов исследования входят сотрудники Массачусетского технологического института, Университета Джона Хопкинса, Калифорнийского технологического института и других учреждений.

День и ночь

Команда наблюдала за WASP-121b с помощью спектроскопической камеры на борту космического телескопа НАСА «Хаббл». Инструмент наблюдает свет от планеты и ее звезды и разбивает этот свет на составляющие его длины волн, интенсивность которых дает астрономам ключ к разгадке температуры и состава атмосферы.

С помощью спектроскопических исследований ученые наблюдали детали атмосферы на дневной стороне многих экзопланет. Но сделать то же самое для ночной стороны гораздо сложнее, так как нужно следить за крошечными изменениями всего спектра планеты, когда она вращается вокруг своей звезды.

Для нового исследования команда наблюдала за WASP-121b на двух полных орбитах — один в 2018 году, а другой в 2019 году. Для обоих наблюдений исследователи просматривали световые данные для определенной линии или спектральной особенности, которая указывала на присутствие водяного пара.

«Мы увидели этот водный объект и нанесли на карту, как он менялся в разных частях орбиты планеты», — говорит Микал-Эванс. «Это кодирует информацию о том, как температура атмосферы планеты зависит от высоты».

Меняющаяся характеристика воды помогла команде составить карту температурного профиля как дневной, так и ночной стороны. Они обнаружили, что дневная сторона колеблется от 2500 Кельвинов в самом глубоком наблюдаемом слое до 3500 Кельвинов в самых верхних слоях. Ночная сторона колебалась от 1800 Кельвинов в самом глубоком слое до 1500 Кельвинов в верхних слоях атмосферы. Интересно, что температурные профили колебались, повышаясь с высотой на дневной стороне — «тепловая инверсия» в метеорологических терминах — и снижаясь с высотой на ночной стороне.

Затем исследователи пропустили температурные карты через различные модели, чтобы определить химические вещества, которые, вероятно, существуют в атмосфере планеты, учитывая определенные высоты и температуры. Это моделирование выявило потенциал для металлических облаков, таких как железо, корунд и титан, на ночной стороне.

Из их карты температуры команда также заметила, что самая горячая область планеты смещена к востоку от «подзвездной» области непосредственно под звездой. Они пришли к выводу, что это смещение связано с сильным ветром.

«Газ нагревается в подзвездной точке, но выдувается на восток, прежде чем успевает повторно излучаться в космос», — объясняет Микал-Эванс.

Судя по размеру сдвига, команда оценивает скорость ветра примерно в 5 километров в секунду.

«Эти ветры намного быстрее, чем наше реактивное течение, и, вероятно, могут перемещать облака по всей планете примерно за 20 часов», — говорит Дейлан, который руководил предыдущей работой на планете с помощью миссии TESS под руководством Массачусетского технологического института.

Астрономы зарезервировали время на космическом телескопе Джеймса Уэбба для наблюдения за WASP-121b в конце этого года и надеются составить карту изменений не только водяного пара , но и угарного газа, который, как подозревают ученые, должен находиться в атмосфере.

«Это был бы первый раз, когда мы смогли измерить углеродсодержащую молекулу в атмосфере этой планеты», — говорит Микал-Эванс. «Количество углерода и кислорода в атмосфере дает представление о том, где формируются такие планеты».