Моделирование показывает, что экзопланеты, нагреваемые на более глубоких глубинах своими звездами-хозяевами, демонстрируют заметно разные погодные условия.

В течение многих лет большинство астрофизических моделей предполагало, что планеты за пределами нашей солнечной системы, известные как экзопланеты, нагреваются на одинаковой глубине своими звездами-хозяевами (т. е. такими звездами, как Солнце, вокруг которых формируются планетные системы). Однако анализ недавних наблюдений нескольких коллабораций с использованием разных телескопов позволяет предположить, что некоторые экзопланеты могут поглощать тепло гораздо глубже в свою атмосферу, чем первоначально предполагалось. На таких экзопланетах могут наблюдаться погодные условия, сильно отличающиеся от тех, которые ожидались на основе прошлого моделирования.

Исследователи из Калифорнийского технологического института, Института Флэтайрон и Университета Брандейса недавно провели серию симуляций, которые подтвердили эту гипотезу. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предполагает, что атмосфера горячих экзопланет, нагреваемая звездами-хозяевами на более глубоких глубинах, приводит к различным устойчивым погодным условиям.

«На рассмотрение этой проблемы нас побудил недавний анализ данных JWST для планеты WASP-96b, который показал, что тепло от ее родительской звезды может поглощаться гораздо глубже в атмосфере, чем мы думали ранее», — Джек В. Скиннер. , Йоонас Няттиля и Джеймс Ю.К. Чо, авторы статьи, рассказали Phys.org. «Это побудило нас просмотреть прошлые анализы подобных планет и обнаружить, что есть и другие планеты, которые нагреваются таким же образом».

Основная цель недавней работы Скиннера, Няттиля и Чо заключалась в том, чтобы лучше понять, как глубина атмосферы, на которой нагреваются планеты, влияет на их долгосрочные погодные условия. Это позволит более точно определить, как будет выглядеть планета при наблюдении с помощью нынешних и будущих космических телескопов. Это также улучшит наше понимание климата и, в конечном итоге, обитаемости экзопланет.

«Точное местоположение и распределение тепла на экзопланетах в настоящее время не очень хорошо известны, но прошлые исследования обычно предполагали одно местоположение и распределение», — объяснили Скиннер, Няттиля и Чо. «На самом деле для точной интерпретации наблюдений необходима более полная картина атмосферы планеты».

В рамках своего исследования исследователи выполнили сотни современных суперкомпьютерных симуляций. Их моделирование решает ряд сложных нелинейных уравнений, которые описывают, как сжимаемые жидкости развиваются на вращающейся сфере. Те же уравнения используются для прогнозирования погоды и климата на Земле и других планетах Солнечной системы.

«Мы задали для этих моделей те же параметры, что и для двух разных горячих юпитеров с разными типами нагрева», — сказал Скиннер.

«Нагрев основан на данных космических телескопов Джеймса Уэбба и Хаббла (последний больше не работает) экзопланеты горячего Юпитера WASP-96b. Ключевое отличие от прошлых работ по моделированию состоит в том, что в нашей работе используется очень эффективный алгоритм. это позволяет выполнять наше моделирование с чрезвычайно высоким разрешением (фактически примерно в 50 раз более высоким, чем обычно делается для этих планет) на мощных суперкомпьютерах».

Алгоритм, использованный Скиннером, Няттиля и Чо, значительно улучшает их моделирование, позволяя им улавливать мелкомасштабные структуры потока, такие как вихри, фронты и волны. В совокупности эти структуры потока предоставляют жизненно важную информацию о погодных условиях, которые можно наблюдать на экзопланетах, с беспрецедентным уровнем детализации и точности.

«Поскольку нагрев и создаваемые им мелкомасштабные структуры управляют потоком, тип нагрева определяет поведение потоков на этих планетах», — сказал Няттиля. «Наше моделирование показывает, что атмосферы горячих юпитеров очень динамичны и турбулентны, с мощными штормами от больших до малых размеров и интенсивности. Тип и поведение этих штормов зависят от того, как перераспределяется нагрев и охлаждение на планетах».

Недавняя работа этой исследовательской группы дает интересное представление о погодных условиях, которые можно обнаружить на планетах за пределами Солнечной системы, и о том, как на эти условия может влиять глубина, на которой поглощается тепло от звезд-хозяев.

Моделирование, проведенное в рамках этого исследования, является одним из наиболее подробных и точных на сегодняшний день и может помочь в разработке новых моделей, описывающих атмосферу горячих экзопланет.

«Моделирование и понимание потоков на экзопланетах имеют важное значение, поскольку эти потоки перемещают горячие (и холодные) участки воздуха (включая химические вещества и облака) вокруг планеты», — объяснил Чо. «Это создает яркие и темные пятна, которые движутся по планете и потенциально могут быть наблюдаемы текущими и будущими космическими телескопами, такими как JWST и Ariel».

Скиннер, Няттиля и Чо с энтузиазмом относятся к результатам, которые они получили на данный момент, поскольку они в конечном итоге демонстрируют, что атмосфера экзопланет очень динамична и изменчива, мало чем отличаясь от планеты Земля. Кроме того, их работа показывает, что, хотя экзопланеты могут иметь очень схожие физические параметры и располагаться в планетных системах со схожими звездами-хозяевами, тонкие различия между ними могут оказывать глубокое влияние на их климат, погоду и другие наблюдаемые характеристики.

«Наша работа открыла еще много интересных вопросов об экзопланетах и ​​продемонстрировала, что точные модели сейчас критически необходимы для точной интерпретации текущих наблюдений и оптимального планирования будущих наблюдений», — добавили Скиннер, Няттиля и Чо.

«Благодаря предстоящим миссиям НАСА JWST и ЕКА ARIEL наша работа показывает, что теперь мы можем начать реалистично ограничивать и тестировать фундаментальные физические теории и сложные компьютерные модели, а также приблизиться к точному установлению того, на каких экзопланетах может быть жизнь».