JWST продолжает превосходить себя. Последний раз телескоп превзошел сам себя: он исследовал далекую экзопланету, чтобы составить карту ее погоды. Прогноз?
Бесконечный, обжигающий ад, движимый непрерывными сверхзвуковыми ветрами.
WASP-43b — горячий Юпитер, вращающийся вокруг звезды главной последовательности на расстоянии около 261 светового года от нас. Он имеет немного больший радиус, чем Юпитер, и примерно в два раза массивнее. Он вращается вокруг своей звезды менее чем за 20 часов и находится всего в 1,3 миллиона миль от нее. Это означает, что она приливно привязана к звезде: одна сторона обращена ко всему излучению, а другая постоянно темна.
В этом нет ничего необычного для газовых гигантов экзопланет. Они часто привязаны к своим звездам и не вращаются.
Об открытии WASP-43b было объявлено в 2011 году. С тех пор астрономы интенсивно изучали его. В 2019 году исследователи зафиксировали его спектр и сообщили о наличии воды в облаках. И наоборот, не было обнаружено ни метана, ни диоксида углерода, ни угарного газа. Дальнейшие исследования показали, что в его облаках преобладают минеральные частицы. За эти результаты во многом ответственен космический телескоп Хаббл; другие телескопы, такие как «Спитцер», также внесли свой вклад.
Ученые знали, что когда JWST будет запущен, он в конечном итоге обратит свое внимание на WASP-43b. «Короткий орбитальный период и приливная синхронизация делают WASP-43b идеальным кандидатом для наблюдений JWST», — объяснили авторы статьи 2020 года. «Наблюдения фазовой кривой всей орбиты позволят составить карту структуры атмосферы по всей планете, при этом разные длины волн наблюдения позволят увидеть разные глубины атмосферы». Их статья предвосхищала то, что может обнаружить JWST и как можно понять его наблюдения.
Теперь мы находимся в будущем, и JWST взглянул на WASP-43b и сделал более подробные наблюдения, чем когда-либо. Мощные инфракрасные возможности космического телескопа измеряли тепло по обе стороны планеты и позволили составить карту структуры атмосферы планеты, как и заявили авторы статьи 2020 года.
«Тот факт, что мы можем отображать температуру таким образом, является реальным свидетельством чувствительности и стабильности Уэбба».
Майкл Роман, Университет Лестера.
Результаты представлены в новой статье в журнале Nature Astronomy. Он называется «Ночные облака и неравновесная химия на горячем Юпитере WASP-43b». Ведущий автор — Тейлор Белл, исследователь из Института экологических исследований Bay Area.
«С помощью «Хаббла» мы могли ясно видеть, что на дневной стороне есть водяной пар. И Хаббл, и Спитцер предположили, что на ночной стороне могут быть облака», — объяснил ведущий автор Белл. «Но нам нужны были более точные измерения Уэбба, чтобы действительно начать составлять карты температуры, облачного покрова, ветров и более детального состава атмосферы по всей планете».
Несмотря на свою мощность, JWST не может напрямую видеть WASP-43b. Вместо этого он использует спектроскопию фазовой кривой. Спектроскопия фазовой кривой измеряет свет от планеты и звезды с течением времени, фиксируя небольшие изменения в свете от обоих, когда планета вращается вокруг звезды. Поскольку JWST улавливает инфракрасный свет, который излучается в зависимости от тепла объекта, данные различной яркости телескопа отражают температуру планеты.
Спектрометр MIRI JWST зафиксировал фазовую кривую WASP-43b. Планета самая горячая, когда она находится на противоположной стороне звезды и ее освещенная сторона обращена к телескопу. Телескоп видит более холодную темную сторону, когда планета находится по эту сторону звезды и проходит перед ней.
«Наблюдая за всей орбитой, мы смогли рассчитать температуру разных сторон планеты, когда они вращаются в поле зрения», — объяснил Белл. «На основании этого мы могли бы построить приблизительную карту температуры по всей планете».
Чтобы представить данные в перспективе, исследователи сравнили фазовую кривую WASP-43b с моделированием модели общей циркуляции (GCM). Данные фазовой кривой JWST более точно соответствуют облачному GCM, чем безоблачному GCM.
«Облачные модели способны подавлять ночное излучение и лучше соответствовать данным», — объясняют авторы в своей статье.
Исследователи использовали подробные инфракрасные данные для построения температурной карты экзопланеты. Средняя температура дневной стороны составляет около 1250 градусов по Цельсию (2300 градусов по Фаренгейту), что почти достаточно для ковки железа. Но на ночной стороне, вероятно, находится толстый слой высотных облаков, которые удерживают часть тепла. Из-за этих облаков ночная сторона кажется прохладнее, чем она есть на самом деле. Там гораздо прохладнее, около 600 градусов по Цельсию (1100 градусов по Фаренгейту), но все же достаточно жарко, чтобы расплавить алюминий.
«Тот факт, что мы можем отображать температуру таким образом, является реальным свидетельством чувствительности и стабильности Уэбба», — сказал Майкл Роман, соавтор из Университета Лестера в Великобритании.
Тейлор Белл (BAERI), Джоанна Барстоу (Открытый университет), Майкл Роман (Университет Лестера)
Исследователи также нанесли на карту горячую точку в атмосфере WASP-43b, и это помогло им оценить свирепые ветры экзопланеты. Горячая точка находится к востоку от точки, получающей больше всего звездного света. Это означает, что мощные ветры перемещают нагретый газ.
Спектр JWST также позволил исследователям измерить присутствие водяного пара (H2O) и метан (CH4.) «Уэбб дал нам возможность выяснить, какие именно молекулы мы видим, и наложить некоторые ограничения на их распространенность», — сказала Джоанна Барстоу, соавтор из Открытого университета в Великобритании.
Уэбб обнаружил водяной пар на дневной и ночной сторонах, что указывает на толщину облаков и высоту над уровнем моря. Однако телескоп обнаружил отсутствие метана (CH4), что необычно. Сильная жара на дневной стороне означает, что углерод находится в форме угарного газа (CO). Но более прохладная ночная сторона должна содержать стабильный метан. Почему его там нет? Виноваты сильные ветры.
«Тот факт, что мы не видим метана, говорит нам о том, что на WASP-43b скорость ветра должна достигать примерно 5000 миль в час», — объяснил Барстоу. «Если ветры перемещают газ с дневной стороны на ночную и обратно достаточно быстро, у ожидаемых химических реакций не будет достаточно времени для образования заметных количеств метана на ночной стороне».
через GIPHY
Предыдущие наблюдения с помощью «Хаббла», «Спитцера» и других выявили некоторые аспекты атмосферы WASP-43b. Но JWST пошла еще дальше. Определив чрезвычайно высокую скорость ветра на экзопланете, ученые теперь полагают, что атмосфера на всей планете одинакова.
«В совокупности наши результаты подчеркивают уникальные возможности JWST/MIRI для характеристики атмосферы экзопланет», — пишут авторы в своей статье. Они отмечают, что все еще существуют некоторые расхождения между фазовой кривой, моделированием GCM и химическим равновесием в атмосфере.
По мнению исследователей, дополнительные наблюдения экзопланет JWST могут помочь разрешить их. «Эти остающиеся несоответствия подчеркивают важность дальнейшего изучения эффектов облаков и неравновесной химии в числовых моделях, поскольку JWST продолжает налагать беспрецедентные ограничения на наблюдения на меньших и более холодных планетах», — заключают они.
