Хаббл наблюдает за изменением атмосферы экзопланеты за три года

Если вы хотите узнать больше об атмосфере экзопланеты, посмотрите, как она меняется со временем. Это мантра группы астрономов, которые только что сообщили об условиях на Тилосе, также известном как WASP-121 b.

Тилос — это горячий мир Юпитера. Он находится на приливно-зависимой 30-часовой орбите вокруг WASP-121. Это означает, что планета смотрит на свою звезду одной и той же стороной. В результате одно полушарие нагревается до температуры более 3000 К. Такой «перегрев» влияет на погоду на Тилосе и создает горячую точку на обращенной к звезде стороне.

По словам Квентина Чангата, главного исследователя группы, которая использовала данные Хаббла за три года для изучения Тилоса, астрономы хотели отслеживать изменения атмосферы, вызванные жарой. «Изучение погоды экзопланет жизненно важно для понимания сложности атмосфер экзопланет, особенно в нашем поиске экзопланет с пригодными для жизни условиями», — отметил он и сравнил это с изучением погоды на Земле. «Погода на Земле отвечает за многие аспекты нашей жизни, и, по сути, долгосрочная стабильность климата Земли и ее погоды, вероятно, является причиной, по которой жизнь вообще могла возникнуть».

Преимущество атмосферы экзопланеты Хаббла

Почтенный космический телескоп Хаббл продолжает собирать довольно замечательный архив наблюдений за экзопланетами, в том числе заглядывать в их атмосферы. Это позволяет астрономам посмотреть, как эти миры и их атмосферы меняются с течением времени. Хаббл несколько раз наблюдал Тилос, и наборы данных дают уникальное представление о том, как ведет себя его атмосфера.

Команда Чангата объединила четыре набора архивных наблюдений Тилоса, сделанных с помощью широкоугольной камеры Хаббла 3 (WFC 3). Объединенный набор данных включает в себя изображение планеты, проходящей перед своей звездой в июне 2016 года). Также можно увидеть, как он проходит за своей звездой в ноябре 2016 года). Две фазовые кривые измеряют количество света, обнаруженного от планеты и ее звезды во время обращения по орбите. Они были сделаны в марте 2018 года и феврале 2019 года. Команда тщательно обработала данные, что оказалось длительным процессом.

«Наш набор данных представляет собой значительный объем времени наблюдений за одной планетой и в настоящее время является единственным последовательным набором таких повторяющихся наблюдений», — пояснил Чангат. «Информация, которую мы извлекли из этих наблюдений, была использована для характеристики (вывода о химическом составе, температуре и облаках) атмосферы WASP-121 b в разное время. Это дало нам изысканную картину планеты, меняющейся во времени».

Об атмосфере Тилоса

Работая с наборами данных, команда обнаружила, что горячая точка планеты смещается. Кроме того, спектральные характеристики химических веществ указывали на то, что что-то в планетарной атмосфере меняется. Это побудило команду создать компьютерные модели, чтобы объяснить наблюдаемые изменения. Лучшим объяснением на данный момент является то, что на Тилосе наблюдаются квазипериодические погодные условия. Они напоминают огромные циклоны. Со временем они возникают, бушуют в верхних слоях атмосферы, а затем рассеиваются. Огромная разница температур между более жаркими и холодными регионами, вероятно, играет роль в этих закономерностях.

На этом видео показаны погодные условия в атмосфере экзопланеты WASP-121 b, также известной как Тилос. Это видео замедлено, чтобы более подробно показать закономерности в атмосфере экзопланеты. С разрешения НАСА, ЕКА, К. Чангата и др., М. Замани (ЕКА/Хаббл)

Кроме того, особенно интригует поведение горячей точки на Тилосе. Такие горячие точки довольно распространены. Они не всегда остаются в одном и том же месте, а, кажется, слегка мигрируют в атмосфере. Астрономы видят такое «смещение» положения на многих экзопланетах. Лучшим объяснением этого очевидного сдвига может быть присутствие ветров в верхних слоях атмосферы или каких-либо других возмущений, влияющих на стабильность горячей точки.

Наблюдение сдвигов в горячей точке и изменений погодных условий в мире, находящемся на расстоянии 880 световых лет от нас, является большим достижением и знаменует собой большой шаг вперед в наблюдениях за экзопланетами. «Высокое разрешение наших симуляций атмосферы экзопланет позволяет нам точно моделировать погоду на сверхгорячих планетах, таких как WASP-121 b», — объяснил Джек Скиннер, научный сотрудник Калифорнийского технологического института и соруководитель проекта. «Здесь мы делаем значительный шаг вперед, объединяя ограничения наблюдений с моделированием атмосферы, чтобы понять изменяющуюся во времени погоду на этих планетах».

Будущая работа

Наблюдение за экзопланетами и их атмосферами — это не одноразовое занятие. Свет звезды распространяется через атмосферу. Проходя сквозь него, определенные химические вещества поглощают свет различной длины. Спектральное исследование этого света показывает «выпадения» там, где происходит поглощение, и эти выпадения говорят ученым, какие химические вещества там существуют. Это также может указывать на изменения в химии атмосферы с течением времени.

Графика НАСА, объясняющая, как телескоп может измерить атмосферу экзопланеты с помощью спектроскопии. С любезного разрешения: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех/Лизбет Б. Де Ла Торре.

Как показывает это исследование, «временное разрешение» (т.е. множество наблюдений за более длительный период) дает астрономам больше шансов понять, как меняются эти миры. Дополнительные данные добавляются к моделям, объясняющим эволюцию атмосферы. Мы узнали об этом, например, в ходе исследований наших газовых гигантов. Нептун и Уран показали дразнящие штормы на снимках, сделанных космическим кораблем «Вояджер-2» несколько десятилетий назад. Последующие наблюдения в течение более длительных периодов времени с помощью телескопов «Хаббл» и «Кек II» (например) позволяют ученым-планетологам отслеживать штормы и другие атмосферные возмущения. То же самое относится и к исследованиям Марса и отметок на его поверхности. Временное разрешение — ценный инструмент.

Таким образом, применение того же подхода к далеким экзопланетам в конечном итоге даст нам представление об изменениях в их атмосферах. И в конечном итоге это покажет нам, на борту каких из них может быть жизнь, просто по наличию определенных химических веществ в их воздушной оболочке. Долгосрочные наблюдения Хаббла и, конечно же, JWST дадут больше доказательств погодных условий на далеких мирах. В конце концов, они откроют миры, в которых может поддерживаться жизнь, и их атмосферные исследования вполне могут рассказать нам, на что похожа эта жизнь, как долго она там существует и какое влияние она оказывает на свой родной мир.