Новый метод обнаружения облаков поможет астрономам охарактеризовать экзопланеты

Фото из открытых источников

В настоящее время насчитывается 6291 подтвержденный кандидат на экзопланеты в 4709 системах, и еще десятки тысяч ожидают подтверждения. Благодаря такому большому количеству доступных для изучения планет и усовершенствованию как приборов, так и методов, процесс переходит от открытия к характеристике. Это включает в себя изучение атмосфер экзопланет с помощью спектроскопии, что позволяет астрономам определять их химический состав. Помимо состава, предпринимаются усилия по лучшему пониманию динамики и циклов атмосфер на экзопланетах.

Международная группа ученых, используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), разработала новый метод изучения облачных циклов на далеких планетах. Команда протестировала свой метод на WASP-94A, «горячем Юпитере» в двойной системе, расположенной примерно в 700 световых годах от нас в созвездии Микроскопа. Их исследование стало одним из первых, обнаруживших облачные циклы на горячем Юпитере, и предоставило исследователям новые данные об эволюции и составе планеты. Этот метод открывает новые возможности для изучения экзопланет и поиска обитаемых планет.

Исследователей возглавлял Сагник Мукерджи, научный сотрудник программы Pegasi b Postdoctoral Fellowship Школы изучения Земли и космоса (SESE) при Университете штата Аризона. К нему присоединились исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHUAPL), Института астрономии Макса Планка (MPIA), Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики (CfA), Каталонского института космических исследований (IEEC), Национального института Хоми Бхабха, Института космических телескопов (STScI), обсерватории «Джемини» и ряда университетов. Результаты их работы были опубликованы в журнале Science.

Из-за экстремально высоких температур и радиации, которым они подвергаются, горячие юпитеры являются хорошими кандидатами для изучения динамики облаков, а также физики и химии их атмосфер. Используя телескоп Webb, команда наблюдала за планетой во время её прохождения (транзита) перед звездой. Этот процесс, известный как транзитная спектроскопия, позволил команде исследовать свет, проходящий через атмосферу планеты. Оптика телескопа Webb также позволила исследователям провести отдельные измерения передней кромки WASP-94A b во время её прохождения перед звездой и задней кромки во время завершения транзита.

На передней кромке наблюдалось движение воздуха с ночной стороны на дневную, а затем в противоположном направлении на задней кромке. Эти наблюдения показали, что на WASP-94A b наблюдаются очень разные погодные условия утром и вечером. В то время как утром небо заполнено облаками, содержащими силикат магния, вечером небо ясное. Выделив облака, исследовательская группа получила одну из самых четких на сегодняшний день картин состава атмосферы WASP-94A b.

Как заявил Дэвид Синг, заслуженный профессор наук о Земле и планетах имени Блумберга в Университете Джонса Хопкинса и главный исследователь программы наблюдений: «Я изучаю экзопланеты уже 20 лет, и постоянная облачность всегда была для нас большой проблемой. Нам давно известно, что облака повсеместно распространены на горячих юпитерах, что очень раздражает, ведь это всё равно что смотреть на планету сквозь запотевшее окно. Но теперь мы не только смогли прояснить ситуацию, но и наконец-то можем точно определить, из чего состоят эти облака, как они конденсируются и испаряются, перемещаясь вокруг планеты».

Исследователи предполагают две возможные причины этой динамики. Одна из них заключается в том, что сильные ветры заставляют облака подниматься на более холодной стороне планеты, а затем опускаться на более жаркой дневной стороне глубоко в недра планеты, где они исчезают до захода солнца. Другая возможность состоит в том, что атмосфера переживает нечто подобное утреннему туману, рассеивающемуся на солнце, но в гораздо большем (и более горячем) масштабе.

В последнем сценарии облака образовывались бы на ночной стороне планеты и испарялись бы, переместившись на дневную сторону, где температура превышает 1000 °C (1832 °F). Успех команды во многом объясняется чувствительностью и разрешением телескопа «Уэбб», которые позволили им исследовать заднюю кромку атмосферы, где ночное небо было ясным. Это позволило им точно увидеть, как выглядит атмосфера планеты, что было невозможно с помощью почтенного космического телескопа «Хаббл». Соавтор, сказал:

«Телескоп JWST предоставляет нам превосходные данные наблюдений за горячими юпитерами и недавно смог выделить признаки утреннего и вечернего движения звезды WASP-94Ab, информацию о которых по своей природе можно считать трехмерной. Для нашей группы в Эксетере это особенно важно, поскольку мы используем и разрабатываем современную трехмерную модель в сотрудничестве с нашей собственной метеорологической службой для моделирования ветров и всевозможных физических и химических процессов, определяющих трехмерную структуру атмосфер планет», - сказал соавтор исследования Гарри Баскетт из Эксетерского университета.

Это действительно захватывающе — иметь возможность сочетать наблюдения и 3D-моделирование для различения погодных условий на экзопланетах, определения наличия облаков и уточнения механизмов их образования. В дальнейшем я надеюсь, что мы сможем продолжить сочетать наблюдения и 3D-моделирование, чтобы раскрыть больше секретов о горячих Юпитерах.

Изучение ясного вечернего неба показало, что WASP-94A b гораздо больше похожа на Юпитер, чем предполагалось. В предыдущих исследованиях данные указывали на то, что состав WASP-39A b содержит гораздо больше кислорода и углерода, чем Юпитер, что не могло быть объяснено нашими современными моделями формирования планет. Новые данные, напротив, показывают, что планета содержит лишь в пять раз больше кислорода и углерода, что соответствует этим моделям.

Используя полученные результаты в качестве эталона, команда исследовала восемь других горячих газовых гигантов. В двух случаях, WASP-39 b и WASP-17 b, они заметили тот же характерный цикл образования облаков. В качестве следующего шага команда будет использовать данные одной из программ наблюдений телескопа Webb для изучения циклов образования облаков на самых разных экзопланетах. Профессор Натан Мейн, также из кафедры физики и астрономии Эксетерского университета, сказал:

Этот захватывающий проект демонстрирует возможности сочетания великолепных наблюдений JWST с передовыми теоретическими и численными моделями планетных атмосфер. Нам удалось определить, из чего состоят облака в атмосфере планеты, находящейся в 700 световых годах от Земли, — это невероятно! Эта работа также помогает нам тестировать, разрабатывать и совершенствовать наши подходы к моделированию, что приведет к улучшению прогнозирования погоды и климата на Земле.