Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), группа астрономов, включая ученых из MPIA, построила глобальную температурную карту горячей газовой гигантской экзопланеты WASP-43b. Близлежащая родительская звезда постоянно освещает одно полушарие, поднимая температуру до 1250°C. Тем временем вечная ночь окутывает противоположную сторону.
Горячий Юпитер WASP-43b, вращающийся вокруг своей родительской звезды, в представлении художника. Узкая орбита планеты привела к тому, что период ее вращения стал синхронизирован с орбитальным периодом, оба из которых составили 19,5 часов. В результате WASP-43b всегда обращена к звезде одним и тем же полушарием, постоянно охваченным дневным светом, а температура достигает 1250°C. Ночная сторона, обращенная от звезды, покрыта облаками, состоящими из капель конденсированных минералов с температурой около 600°C. Фото: Т. Мюллер (MPIA/HdA)
Сильные ветры переносят обжигающий горячий воздух на ночную сторону, где он охлаждается до 600°C, позволяя сформироваться облакам и покрыть все полушарие. Эти бури настолько ухудшают химические реакции, что метан едва образуется, хотя в более спокойных условиях его должно быть много.
Горячие Юпитеры — это экстремальные экзопланеты газовых гигантов, которые вращаются вокруг своих родительских звезд в непосредственной близости, что приводит к нескольким экзотическим свойствам, касающимся температуры, плотности, состава, химии и погоды. С появлением невероятно чувствительных телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы начали очень детально изучать их атмосферы.
Международное сотрудничество астрономов, команда JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), наблюдала за горячим Юпитером WASP-43b с помощью инструмента среднего инфракрасного диапазона JWST (MIRI) для изучения его климата.
Результаты этого исследования, проведенного Тейлором Дж. Беллом (Институт BAER и Отдел космических наук и астробиологии, Исследовательский центр Эймса НАСА, США), опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Экстремальный мир, не похожий ни на что в Солнечной системе.
Центральным результатом является карта, описывающая глобальное распределение температуры, полученное на основе инфракрасного света, который WASP-43b излучает в ответ на облучение своей родительской звездой. Охватывая спектральный диапазон, чувствительный к теплым материалам, MIRI работает аналогично бесконтактному термометру, используемому для измерения температуры тела, но на больших расстояниях, составляющих для WASP-43b 280 световых лет.
На этой карте измеренные температуры находятся в диапазоне от 600°C до 1250°C. Напротив, если судить по сопоставимым наблюдениям, Юпитер, газовый гигант Солнечной системы, достигает температуры -135°C.
Хотя по размеру и массе он похож на Юпитер, это совсем другой мир. WASP-43b поддерживает исключительно узкую орбиту вокруг своей родительской звезды, WASP-43, преодолевая расстояние всего в два звездных диаметра над поверхностью звезды и совершая полный оборот всего за 19,5 часов. Небольшое разделение привело к тому, что день и год планеты стали синхронизированы. Другими словами, обращение вокруг звезды занимает столько же времени, сколько необходимо планете для вращения вокруг своей оси. Следовательно, звезда всегда освещает и нагревает одну и ту же сторону планеты.
Ветры переносят воздух в противоположное полушарие, где он остывает в вечной ночи. Однако на WASP-43b эти ветры чрезвычайно сильные: скорость ветра достигает почти 9000 км/ч, что превосходит все, что мы наблюдаем в Солнечной системе. Для сравнения, даже самые сильные ветры Юпитера — это всего лишь легкий бриз.
Водяной пар, облака из жидких пород и удивительное отсутствие метана
«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 Белл. «Но нам нужны были более точные измерения с помощью JWST, чтобы действительно начать составлять карты температуры, облачного покрова, ветров и более детального состава атмосферы по всей планете».
Наблюдения JWST показали, что температурный контраст между дневной и ночной стороной оказался сильнее, чем можно было бы ожидать для безоблачной атмосферы. Модельные расчеты подтверждают, что ночная сторона планеты окутана толстым слоем облаков высоко в атмосфере, который блокирует большую часть инфракрасного излучения снизу, которое мы в противном случае могли бы увидеть.
Точные типы облаков до сих пор неизвестны. Очевидно, что это не будут водяные облака, подобные земным, не говоря уже об аммиачных облаках, которые мы видим на Юпитере, поскольку на планете слишком жарко, чтобы вода и аммиак могли конденсироваться. Вместо этого при таких температурах с большей вероятностью будут присутствовать облака, состоящие из камней и минералов. Следовательно, нам следует ожидать облаков, состоящих из капель жидкой породы. С другой стороны, на более жаркой дневной стороне WASP-43b, похоже, нет облаков.
Чтобы более детально исследовать состав атмосферы, команда создала спектры, то есть разложила полученный инфракрасный свет на крошечные участки длины волны, подобные радуге, которая показывает цветовые компоненты солнечного света. Этот метод позволил им идентифицировать сигнатуры отдельных химических соединений, излучающих определенные длины волн.
В результате астрономы подтвердили ранее проведенные измерения водяного пара, но теперь уже по всей планете. Хаббл смог изучить только дневную сторону, поскольку ночная сторона была слишком темной, чтобы распознать там молекулы. JWST с его более высокой чувствительностью теперь дополняет картину.
Кроме того, горячие Юпитеры обычно содержат большое количество молекулярного водорода и угарного газа, которые невозможно исследовать с помощью наблюдений команды. Однако под воздействием более прохладной ночной стороны водород и окись углерода участвуют в ряде реакций, в результате которых образуются метан и вода. Однако MIRI не обнаружила метана.
Астрономы объясняют этот сюрприз огромной скоростью ветра на WASP-43b. Партнеры по реакции проходят через более холодную ночную сторону так быстро, что остается мало времени для ожидаемых химических реакций с образованием заметных количеств метана. Любая небольшая фракция метана тщательно смешивается с другими газами. Он быстро снова достигает дневной стороны, где подвергается разрушительному жару.
«Благодаря новым наблюдательным возможностям JWST WASP-43b был представлен в беспрецедентных деталях», — сказала Лаура Крейдберг, директор Астрономического института Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия. Она является соавтором основной исследовательской статьи и исследует планету уже десять лет.
«Мы видим сложный, негостеприимный мир с яростными ветрами, резкими перепадами температур и неоднородными облаками, вероятно, состоящими из капель камней. WASP-43b — напоминание об огромном диапазоне климатических условий, возможных на экзопланетах, и о многих особенностях Земли».
Наблюдение планетарной карусели
WASP-43b был обнаружен в 2011 году транзитным методом. Всякий раз, когда орбита экзопланеты ориентирована так, что, с нашей точки зрения, она проходит перед родительской звездой, затмение блокирует небольшую часть звездного света. Эти периодические падения яркости звезды являются верным признаком того, что вокруг звезды вращается объект. Точная форма позволяет рассчитать размер планеты и наклон ее орбиты.
Астрономы используют вторичный эффект для детального изучения планеты. Представьте себе, что Венера меняет свое освещение, напоминающее лунные фазы, во время своего обращения вокруг Солнца. Транзитные экзопланеты представляют различные фазы инфракрасного излучения примерно одинаково, в зависимости от того, как звезда нагревает дневную сторону.
Наблюдая за постепенным изменением пропорций горячего и холодного полушарий, мы получаем характерную картину того, как измеренная инфракрасная яркость планеты меняется во времени. Анализ этого минутного сигнала, так называемой фазовой кривой, полученный астрономами от WASP-43b, позволил им построить температурную карту и локализовать газы, составляющие атмосферу планеты.
Будущее инфракрасно-яркое
В ходе последующего исследования другая группа под руководством бывшего ученого MPIA Стефана Биркманна (Европейское космическое агентство, ЕКА) изучит WASP-43b с помощью спектрометра ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRSpec). Эти измерения будут чувствительны к угарному газу, который должен преобладать в атмосфере.
Кроме того, расширенный охват длин волн улучшит точность температурной карты MIRI и поможет более точно исследовать распределение и состав облаков.
Предоставлено
Общество Макса Планка
