Астрономы обнаружили различия между утром и вечером на ультрагорячей экзопланете

Фото из открытых источников

Астрономы обнаружили существенные различия в атмосферных условиях между утренней и вечерней переходными зонами ультрагорячей газовой планеты WASP-121 b, которые разделяют день и ночь, обычно называемые терминаторами. Это достижение стало возможным только благодаря беспрецедентной чувствительности космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Группа исследователей под руководством Сирила Гаппа из Института астрономии им. Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, обнаружила это явление, которое ранее было предсказано теоретическими расчетами.

Это открытие связано с асимметрией в поглощении инфракрасного света, получаемого от звезды-хозяина, который частично фильтруется атмосферой планеты во время её транзита. Исследователи интерпретируют это как результат неравномерности температур и химического состава атмосферы экзопланеты.

Благодаря беспрецедентному качеству наблюдений, телескоп JWST предоставляет нам самые подробные на сегодняшний день данные о далеких планетах: измеряя, как изменяется поглощение света звездой по мере вращения WASP-121 b, мы исследуем ее атмосферу по долготе.

Данные показывают, что вечерний терминатор поглощает больше света, чем утренняя сторона, что согласуется с общепринятой картиной мощных ветров, переносящих интенсивное тепло с дневной стороны на ночную. Горячие ветры следуют за вращением планеты на восток, нагревая вечернюю зону. С повышением температуры эта область неизбежно расширяется, увеличивая поперечное сечение планеты и позволяя ей более эффективно поглощать звездное излучение.

Помимо общего незначительного снижения яркости к концу транзита, данные, полученные с помощью прибора NIRSpec (ближнеинфракрасный спектрограф) телескопа JWST, также показывают увеличение сигнала оксида углерода (CO). Однако, по-видимому, это температурный эффект, не связанный с увеличением количества молекул оксида углерода.

Напротив, количество воды (H₂O) в атмосфере, по-видимому, уменьшается, что астрономы интерпретируют как реальное уменьшение количества молекул воды. Температура в верхних слоях атмосферы достаточно высока, чтобы расщепить молекулы воды на составляющие. Этот результат еще раз подтверждает существование горячих ветров, нагревающих вечернюю область терминатора.

Для обнаружения этих мельчайших изменений астрономы использовали своеобразное поведение горячих газовых планет. Близость к своим звездам постепенно синхронизирует их вращение и орбитальное движение за счет приливных сил, так что в конечном итоге один оборот занимает столько же времени, сколько один полный оборот вокруг своей оси. Наконец, эти планеты имеют два различных полушария: горячую сторону, постоянно обращенную к звезде, и противоположную, более темную и холодную сторону.

«WASP-121b отличается особенно экстремальными температурами: средняя температура на дневной стороне составляет около 2770 Кельвинов, а на ночной — около 1000 Кельвинов», — объясняет соавтор исследования Том Эванс-Сома из Университета Ньюкасла, Австралия. Ранее он определил диапазон температур планеты и также связан с MPIA. Эти значения соответствуют почти 2500 градусам Цельсия на дневной стороне и приблизительно 725 градусам Цельсия ночью.

Когда астрономы наблюдают за прохождением такой планеты перед звездой, планета слегка вращается между точками входа и выхода, обнажая различные участки своей атмосферы. Хотя планета в основном показывает свою ночную сторону, наша точка зрения позволяет увидеть за пределами сумерек и рассвета яркую дневную сторону, в зависимости от хода прохождения. Зона, предшествующая орбите планеты, соответствует утренней стороне, а зона, следующая за ней, — вечерней.

Помимо регистрации измеренных изменений яркости во времени, спектрографы разлагают свет на более мелкие компоненты, которые физики называют спектром, подобно тому, как призма создает радужное распределение цветов. Поскольку атмосферные газы поглощают свет на разных цветах или длинах волн, детальный анализ позволяет определить их химический состав.

Следовательно, изменение направления вращения приводит к зависящему от времени изменению отфильтрованного сигнала. В случае WASP-121 b угол поворота за полный транзит составляет около 30 градусов, чего достаточно для высокоточной съемки утренней (рассветной) и вечерней (закатной) границ по долготе.

Астрономы обычно усредняют измерения за весь период прохождения планеты по звезде, чтобы получить более четкий сигнал. Однако, чтобы определить, как сигнал изменяется во время траектории планеты относительно звезды, Гапп и его коллеги учли временные изменения, происходящие по мере вращения планеты. Применив статистические методы, они обнаружили, что их процедура обеспечивает значительно лучшее соответствие данным, что указывает на то, что они действительно обнаружили значительные изменения.

Для проверки измеренных температур, которые могли бы вызвать локальное расширение, астрономы запустили модели, имитирующие распределение тепла в верхних слоях газовой планеты в зависимости от свойств планеты и созвездия планеты и её звезды. Хотя эти атмосферные модели подтвердили асимметричный эффект, вызванный пространственными изменениями температуры, данные показали большую амплитуду сигнала, чем предсказывали модели.

Астрономы предположили, что на утреннем терминаторе могут действовать механизмы охлаждения, которые не учитываются в моделях. Предыдущие исследования показали, что облака могут присутствовать, хотя и состоят не из капель воды, а из минералов, таких как силикаты. Облака могут эффективно экранировать инфракрасное излучение, испускаемое горячими газовыми слоями ниже, имитируя более низкие температуры. Как известно, моделирование физики облаков, конденсации и испарения в динамической среде — сложная задача. Поэтому физические модели, обычно применяемые к атмосферам экзопланет, такие как та, что использовалась в этом исследовании, не учитывают облака, что может привести к нереалистичным результатам.

После корректировки моделирования для более точного воспроизведения влияния облаков на инфракрасное излучение из более глубоких слоев, результаты стали более соответствовать наблюдениям. Однако только более сложные модели смогут с уверенностью подтвердить наличие облаков.

Обновление модели также улучшит будущие исследования с использованием этого метода. Астрономы уже определили дополнительные подходящие цели в требуемом диапазоне температур и скорости вращения для успешного исследования терминаторных областей. Это поможет им сформировать выборку ультрагорячих газовых планет, выявить их продольную структуру и, возможно, обнаружить сходства и различия между этими экстремальными мирами.