Кредит: Pixabay/CC0 Общественный домен
Планета WASP-121B является экстремальным. Это газовый гигант почти в два раза больше, чем Юпитер, вращающийся очень близко к своей звезде — в 50 раз ближе, чем земля на солнце. WASP-121B настолько близок к своей звезде, что приливные силы заперли свое вращение в «резонансе»: планета всегда показывает одно и то же лицо к своей звезде, как луна на землю. Следовательно, одна сторона WASP-121B постоянно выпекается в свете, тогда как другая вечная ночь. Это различие вызывает огромные изменения температуры по всей планете. Это может быть более 3000 ° C с одной стороны и упасть на 1500 ° C с другой.
Этот огромный контраст температуры является источником сильных ветров, продувая несколько километров в секунду, которые пытаются перераспределить энергию со времен днем в ночь. До сих пор нам приходилось угадать прочность и направление ветров с косвенными измерениями, такими как измерения температуры планеты. В последние годы, с появлением новых инструментов на гигантские телескопы, мы смогли напрямую измерить скорость ветра определенных экзопланетов, включая WASP-121B.
В нашем исследовании, опубликованном в журнале Nature, который проводился моей коллегой Джулией Зайдель, мы не только смотрели на скорость ветра на экзопланете, но и на то, как эти ветры варьируются в зависимости от высоты. Мы смогли измерить впервые, что ветры в самых глубоких слоях атмосферы сильно отличаются от того, что на больших высотах. Поместите это так: на земле ветры, дуя несколько десятков километров в час, уже затрудняют ездить на велосипеде; На WASP-121B педалирование было бы невозможным, потому что ветры в сто раз быстрее.
Наши измерения показывают поведение ключевой зоны атмосферы, которая образует связь между глубокой атмосферой — обычно, обследованной телескопами, такими как космический телескоп Джеймса Уэбба — и внешними зонами, где атмосфера сбегает в космос, взорванная ветром, исходящим от его звезды.
Как мы измеряли атмосферу планеты миллионы миллиардов километров?
Чтобы провести наши измерения, мы использовали один из самых точных спектрографов на Земле, установленных на самом большом телескопе, доступном нам: эспрессо в Европейской южной обсерватории (ESO) очень большой телескоп (VLT), расположенный в пустыне Атакама в Чили. Чтобы собрать как можно больше света, мы объединили свет из четырех телескопов диаметром 8 метров VLT. Благодаря этой комбинации, которая все еще проверяется, мы собрали столько света, сколько телескоп диаметром 16 метров, который будет больше, чем любой оптический телескоп на Земле.
Спектрограф Espresso Ultra-Presyse позволил нам отделить свет от планеты на 1,3 миллиона длин волн. Это позволяет нам наблюдать столько же цветов в видимом спектре. Эта точность необходима для обнаружения различных типов атомов в атмосфере планеты. На этот раз мы изучили, как три различных типа атомов — Побит свет от звезды: водород, натрий и железо (все в газообразном состоянии, учитывая очень высокие температуры).
Измеряя положение этих спектральных линий очень точно, мы смогли непосредственно измерить скорость этих атомов. Эффект допплера говорит нам, что к нам, приближающемуся к нам атом, будет поглощать больше синего света, в то время как атом, отоходящий от нас, поглотит больше красного света. Измеряя длину волны поглощения каждого из этих атомов, у нас есть столько же различных измерений скорости ветра на этой планете.
Мы обнаружили, что линии разных атомов рассказывают разные истории. Железо перемещается со скоростью 5 километров в секунду от вещественной точки (область планеты, ближайшей к ее звезде-хозяину) к антистеллярной точке (наиболее отдаленной) очень симметрично. Натрий, с другой стороны, расщепляется в два: некоторые из атомов движутся как железо, в то время как другие движутся в экваторе прямо с востока на запад в четыре раза быстрее, со скоростью 20 километров в секунду. Наконец, водород, по-видимому, движется с восток-западным током натрия, но также, вертикально, без сомнения, позволяет ему сбежать с планеты.
Чтобы согласовать все это, мы подсчитали, что эти три разных атома, на самом деле, в разных частях атмосферы. В то время как атомы железа лежат в более глубоких слоях, где ожидается симметричная циркуляция, натрий и водород давайте давайте исследовать гораздо более высокие слои, где атмосфера планеты взорвана ветром, исходящим от звезды -хозяина. Этот звездный ветер в сочетании с вращением планеты, вероятно, несет материал асимметрично, с преференциальным направлением, заданным вращением планеты.
Откройте для себя последние в науке, технологии и пространстве с более чем 100 000 подписчиков, которые полагаются на Phys.org для Daily Insights. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получите обновления о прорывах, инновациях и исследованиях, которые имеют значение — ежедневно или еженедельно.
Зачем изучать атмосферы экзопланет?
WASP-121B является одной из тех гигантских газообразных планет с температурой более 1000 ° C, которые известны как «горячие Юпитеры». Первое наблюдение за этими планетами мэра Мишеля и Дидье Келоз (которое впоследствии принесло им Нобелевскую премию по физике) стало неожиданностью в 1995 году, особенно потому, что модели планетарного образования предсказывали, что эти гигантские планеты не могут сформировать столь близкие к своей звезде. Наблюдение мэра и Келоза заставило нас понять, что планеты не обязательно образуются там, где они в настоящее время находятся. Вместо этого они могут мигрировать, то есть передвигаться в юности.
Как далеко от их звезды делают форму «горячих Юпитеров»? На каких расстояниях эти объекты мигрируют в зачаточном состоянии? Почему Юпитер в нашей солнечной системе не мигрировал к солнцу? (Нам повезло, что это не так, потому что она бы послала Землю в нашу звезду одновременно.)
Некоторые ответы на эти вопросы могут лежать в атмосфере экзопланет, которые демонстрируют следы условий их формирования. Тем не менее, изменения в температуре или химическом составе в каждой атмосфере могут радикально исказить изобилие измерений, которые мы пытаемся провести с большими телескопами, такими как Джеймс Уэбб. Чтобы использовать наши измерения, нам сначала нужно понять, насколько сложны эти атмосферы.
Для этого мы должны понимать фундаментальные механизмы, которые управляют атмосферой этих планет. В солнечной системе ветры могут быть измерены непосредственно, например, рассматривая, как быстро движутся облака. На экзопланетах мы не можем увидеть какие -либо детали напрямую.
В частности, «горячие Юпитеры» орбита так близко к их звездам, что мы не можем разделить их пространственно и фотографировать экзопланет. Вместо этого, среди тысяч известных экзопланетов, мы выбираем те, у кого есть хороший вкус, чтобы периодически проходить между их звездой и нами. Во время этого «транзита» свет от звезды фильтруется атмосферой планеты, которая позволяет нам измерять признаки поглощения различными атомами или молекулами. В целом, данные, которые мы получаем, недостаточно хороши, чтобы отделить свет, который проходит на одной стороне планеты от другой, и в итоге мы получаем среднее из того, что поглотила атмосфера. Поскольку условия вдоль атмосферной конечности (то есть срез атмосферы, окружающей планету, как наблюдается из космоса), могут резко различаться, интерпретация окончательного среднего часто является головной болью.
На этот раз, используя телескоп, который, по сути, больше, чем любой другой оптический телескоп на Земле, и объединяя его с чрезвычайно точным спектрографом, мы смогли отделить сигнал, поглощаемый восточной стороной конечности планеты от сигнала, поглощенного западной стороной. Это позволило нам измерить пространственное изменение ветра на планете.
Будущее атмосферного исследования экзопланетов
В настоящее время Европа строит следующее поколение телескопов, возглавляемое чрезвычайно большим телескопом ESO, который запланирован на 2030 год. ELT будет иметь зеркало диаметром 30 метров, в два раза больше телескопа, который мы получили, объединив свет из четырех 8-метровых телескопов VLT.
Этот гигантский телескоп составит еще более точные детали об атмосферах экзопланетов. В частности, он измеряет ветры в экзопланетах как меньше, так и холоднее, чем «горячие юпитеры».
Но мы все действительно ждем, так это способность ELT измерять присутствие молекул в атмосфере каменистых планет, вращающихся в обитаемой зоне их звезды, где вода может присутствовать в жидком состоянии.
Обеспечивается разговором
