Эта концепция художника показывает, как может выглядеть экзопланета WASP-39 b, основываясь на косвенных транзитных наблюдениях с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA, а также других космических и наземных телескопов. Кредит: NASA, ESA, CSA, Ральф Кроуфорд (STScI)
Исследователи, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба, наконец подтвердили то, что ранее предсказывали модели: экзопланета имеет различия между своей вечной утренней и вечной вечерней атмосферой. WASP-39 b, гигантская планета с диаметром в 1,3 раза больше, чем у Юпитера, но с массой, похожей на Сатурн, которая вращается вокруг звезды на расстоянии около 700 световых лет от Земли, приливно заблокирована своей родительской звездой. Это означает, что у нее есть постоянная дневная сторона и постоянная ночная сторона — одна сторона планеты всегда открыта своей звезде, в то время как другая всегда окутана тьмой.
Используя NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) Уэбба, астрономы подтвердили разницу температур между вечным утром и вечным вечером на WASP-39 b, причем вечер кажется жарче примерно на 300 градусов по Фаренгейту (около 200 градусов по Цельсию). Они также нашли доказательства разного облачного покрова, причем вечно утренняя часть планеты, вероятно, более облачная, чем вечерняя.
Изображение A: Художественная концепция WASP-39 b
Астрономы проанализировали спектр пропускания WASP-39 b в диапазоне от 2 до 5 микрон, метод, который изучает терминатор экзопланеты, границу, разделяющую дневную и ночную стороны планеты. Спектр пропускания создается путем сравнения звездного света, отфильтрованного через атмосферу планеты, когда она движется перед звездой, с неотфильтрованным звездным светом, обнаруженным, когда планета находится рядом со звездой. Проводя это сравнение, исследователи могут получить информацию о температуре, составе и других свойствах атмосферы планеты.
«WASP-39 b стала своего рода эталонной планетой в изучении атмосферы экзопланет с помощью Уэбба», — сказал Нестор Эспиноза, исследователь экзопланет в Научном институте космического телескопа и ведущий автор исследования. «У нее раздутая, пухлая атмосфера, поэтому сигнал, исходящий от звездного света, отфильтрованного через атмосферу планеты, довольно сильный».
Ранее опубликованные спектры Уэбба атмосферы WASP-39b, которые выявили присутствие углекислого газа, диоксида серы, водяного пара и натрия, отражают всю границу дня и ночи — детальной попытки провести различие между одной стороной и другой не предпринималось.
Теперь новый анализ строит два разных спектра из области терминатора, по сути разделяя границу день/ночь на два полукруга, один из вечера, а другой из утра. Данные показывают, что вечер значительно жарче, 1450 градусов по Фаренгейту (800 градусов по Цельсию), а утро относительно прохладнее 1150 градусов по Фаренгейту (600 градусов по Цельсию).
Этот спектр пропускания, полученный с помощью режима временных рядов ярких объектов NIRSpec (ближний инфракрасный спектрограф) PRISM Уэбба, показывает количество различных длин волн (цветов) ближнего инфракрасного звездного света, заблокированного атмосферой горячего газового гиганта экзопланеты WASP-39 b. Спектр показывает явные доказательства наличия воды и углекислого газа, а также изменение температуры между утром и вечером на экзопланете. Кредит: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)
Изображение B: Спектры пропускания
«Это действительно потрясающе, что мы можем проанализировать эту маленькую разницу, и это возможно только благодаря чувствительности Уэбба в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн и его чрезвычайно стабильным фотометрическим датчикам», — сказал Эспиноза. «Любое крошечное движение в инструменте или в обсерватории во время сбора данных серьезно ограничило бы нашу способность сделать это обнаружение. Это должно быть чрезвычайно точно, и Уэбб как раз такой».
Расширенное моделирование полученных данных также позволяет исследователям исследовать структуру атмосферы WASP-39 b, облачный покров и то, почему вечером жарче. В то время как будущая работа команды будет изучать, как облачный покров может влиять на температуру, и наоборот, астрономы подтвердили, что циркуляция газа вокруг планеты является основным виновником разницы температур на WASP-39 b.
На сильно облученной экзопланете, такой как WASP-39 b, которая вращается относительно близко к своей звезде, исследователи обычно ожидают, что газ будет двигаться по мере вращения планеты вокруг своей звезды: более горячий газ с дневной стороны должен перемещаться через вечер на ночную сторону посредством мощного экваториального струйного течения. Поскольку разница температур настолько значительна, разница в давлении воздуха также будет значительной, что, в свою очередь, приведет к высокой скорости ветра.
Кривая блеска от NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) космического телескопа NASA James Webb показывает изменение яркости звездной системы WASP-39 с течением времени, когда планета проходит мимо звезды. Это наблюдение было сделано с использованием режима временных рядов ярких объектов NIRSpec, который использует решетку для распределения света от одного яркого объекта (например, родительской звезды WASP-39 b) и измерения яркости каждой длины волны света через заданные интервалы времени. Кредит: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Изображение C: Кривая транзитного блеска
Используя модели общей циркуляции — трехмерные модели, аналогичные тем, которые используются для прогнозирования погодных условий на Земле, — исследователи обнаружили, что на WASP-39 b преобладающие ветры, вероятно, движутся с ночной стороны через утренний терминатор, вокруг дневной стороны, через вечерний терминатор и затем вокруг ночной стороны.
В результате утренняя сторона терминатора холоднее вечерней. Другими словами, утренняя сторона подвергается ударам ветров воздуха, охлажденного на ночной стороне, в то время как вечерняя сторона подвергается ударам ветров воздуха, нагретого на дневной стороне. Исследования показывают, что скорость ветра на WASP-39 b может достигать тысяч миль в час.
«Этот анализ также особенно интересен, потому что вы получаете трехмерную информацию о планете, которую вы не получали раньше», — добавил Эспиноза. «Поскольку мы можем сказать, что вечерний край горячее, это означает, что он немного пухлее. Так что, теоретически, на терминаторе, приближающемся к ночной стороне планеты, есть небольшая волна».
Результаты работы группы опубликованы в журнале Nature.
Теперь исследователи попытаются использовать тот же метод анализа для изучения атмосферных различий других приливно-захваченных горячих юпитеров в рамках Программы общих наблюдателей 3969 цикла Уэбба 2.
WASP-39 b был среди первых целей, проанализированных Уэббом, когда он начал регулярные научные операции в 2022 году. Данные в этом исследовании были собраны в рамках программы Early Release Science 1366, разработанной для того, чтобы помочь ученым быстро научиться использовать инструменты телескопа и полностью реализовать его научный потенциал.
