За последние годы астрономы научились не просто находить новые миры за пределами Солнечной системы, но и разбираться в том, как они устроены и что собой представляют. Современные инструменты дают возможность фиксировать свет, прошедший через газовые оболочки планет или отраженный от них, и по спектральным линиям восстанавливать картину происходящего. Такие данные помогают понять, насколько разнообразными могут быть условия даже на газовых гигантах.
Телескоп «Джеймс Уэбб» заметно расширил эти возможности благодаря своей чувствительности в инфракрасном диапазоне. Ученые c его помощью изучили горячий газовый гигант WASP-121b, расположенный примерно в 850 световых годах от Земли. Результаты позволили не только изучить общую атмосферу, но и получить первую подробную карту распределения температуры, облачности и химических веществ по разным сторонам планеты. Давайте разберемся.
Планета в приливном захвате
WASP-121b относится к классу ультрагорячих юпитеров — газовый гигант, который обращается вокруг своей звезды на расстоянии всего в несколько звездных радиусов. Один оборот занимает около тридцати часов, а приливные силы надежно зафиксировали планету в приливном захвате. Одна сторона всегда смотрит на звезду и раскаляется до нескольких тысяч градусов, тогда как обратная остается в вечной темноте и заметно холоднее. Такое положение создает мощный перепад температур между полушариями, который и определяет все атмосферные процессы. Ученые давно подозревали, что подобные миры должны демонстрировать крайне необычную динамику, но только теперь удалось получить достаточно точные измерения, чтобы увидеть детали.
Сам газовый гигант заметно больше Юпитера. Из-за близости к звезде его атмосфера постоянно получает огромные объемы энергии, а внешние слои сильно разогреваются и расширяются. Условия на планете настолько экстремальны, что химический состав атмосферы различается между дневной и ночной сторонами. На освещенном полушарии многие соединения разрушаются под действием высоких температур, тогда как в более холодных областях могут существовать другие молекулы и даже формироваться облака. Огромная разница температур создает мощные ветры, которые непрерывно переносят вещество между полушариями и перемешивают атмосферу. Именно поэтому WASP-121b считается одним из лучших «природных полигонов» для изучения динамики атмосферы ультрагорячих газовых гигантов.
Наблюдения показали, что высокая температура и интенсивное излучение звезды постепенно уносят часть вещества из верхних слоев атмосферы. Несмотря на это, планета пока не теряет массу катастрофическими темпами и сохраняет большую часть своей газовой оболочки. В результате формируется необычная структура: плотные и горячие нижние слои соседствуют с очень разреженной верхней атмосферой, из которой вещество частично уходит в космос. Изучение таких процессов помогает понять, как ультрагорячие юпитеры меняются со временем и насколько быстро они могут терять атмосферу под воздействием своей звезды.
Методика наблюдений с помощью фазовой кривой
Чтобы изучить атмосферу планеты, телескоп наблюдал систему на протяжении полного оборота WASP-121b вокруг звезды, который занимает чуть больше суток. По мере движения планеты наблюдатели видят то большую часть ее дневной стороны, то ночной, что позволяет проследить, как меняется излучение с изменением орбиты. Такой метод называется построением фазовой кривой. Спектрограф NIRSpec разделял полученный свет на отдельные длины волн, благодаря чему стало возможным определить присутствие различных химических веществ и оценить температуру атмосферы в разных областях планеты. Для проверки результатов данные анализировали несколькими независимыми способами, чтобы свести вероятность ошибок к минимуму.
Каждый спектр показывал температуру и состав той части атмосферы, которая в данный момент была видна телескопу. Сравнивая наблюдения, полученные в разные моменты орбитального движения, ученые смогли проследить, чем отличаются дневная сторона планеты, ночная и область между ними. Это позволило составить подробную карту температур и определить, как меняется яркость атмосферы в разных районах. Точности измерений хватило даже для того, чтобы обнаружить смещение наиболее горячих областей относительно точки, на которую приходится основной поток излучения звезды. Благодаря этому исследователи впервые смогли настолько подробно изучить распределение тепла в атмосфере далекой экзопланеты.
Кривая яркости оказалась несимметричной, а значит, тепло распределяется по планете неравномерно. Горячий газ постоянно переносится потоками атмосферы с дневной стороны на ночную, однако этого недостаточно, чтобы сгладить огромную разницу температур между полушариями. Изменения спектра в разные моменты наблюдений позволили определить, где находятся наиболее горячие области, а где атмосфера заметно холоднее. На основе этих данных ученые составили первую подробную карту атмосферы планеты, показавшую распределение температуры и некоторых химических веществ по разным регионам. Подобные методы в будущем помогут изучать атмосферные процессы и на других экзопланетах.
Температурная карта мира
Одним из самых интересных результатов стало смещение наиболее горячей области от центра освещенной стороны планеты. Это говорит о том, что атмосферные потоки успевают переносить нагретый газ прежде, чем он отдаст значительную часть тепла окружающему пространству. Температура на дневной стороне превышает 3000 К, причем в верхних слоях атмосферы она оказывается выше, чем в нижних. Ночная сторона заметно холоднее, однако даже там условия остаются экстремальными по сравнению с любыми планетами Солнечной системы. Разница температур между двумя полушариями достигает полутора-двух тысяч градусов и приводит к возникновению мощных атмосферных течений.
Моделирование на основе фазовой кривой позволило построить распределение температуры вдоль долготы с довольно высокой детализацией. В переходных зонах между днем и ночью температура меняется резко, но не мгновенно: газ успевает частично остыть или нагреться во время переноса. Такие градиенты определяют, где именно формируются восходящие и нисходящие потоки. Ученые отметили, что тепло не просто перетекает, а создает сложную трехмерную картину с вертикальными движениями. Это объясняет, почему некоторые молекулы появляются в неожиданных местах.
На ночной стороне атмосфера охлаждается достаточно сильно, чтобы часть веществ переходила в жидкое или твердое состояние и участвовала в образовании облаков. Однако мощные потоки постоянно перемешивают атмосферу и поднимают вещество из более глубоких слоев, поэтому облачный покров остается неоднородным. Самые холодные области находятся не точно на противоположной от звезды стороне, а немного смещены из-за движения атмосферных масс. Полученные данные в целом подтверждают существующие модели, но показывают, что распределение тепла в атмосфере устроено сложнее, чем предполагалось ранее. Именно температурные контрасты определяют большинство процессов, происходящих на этой планете.
Облака и состав атмосферы
Состав атмосферы заметно отличается на дневной и ночной сторонах планеты. На освещенном полушарии ученые обнаружили водяной пар, монооксид углерода и монооксид кремния, который удалось надежно зафиксировать впервые. Экстремально высокая температура разрушает часть химических соединений, поэтому набор веществ здесь относительно невелик. На ночной стороне ситуация иная: там удалось обнаружить метан, который поступает из более глубоких слоев атмосферы вместе с восходящими потоками газа. Это показывает, что состав атмосферы зависит не только от температуры, но и от постоянного перемещения вещества между разными слоями.
По всей видимости, облака формируются главным образом на ночной стороне планеты. Более низкая температура позволяет некоторым веществам переходить из газообразного состояния в мелкие твердые частицы, из которых и образуется облачный покров. Однако эти облака не выглядят сплошным слоем: мощные атмосферные потоки постоянно перемещают и разрывают их, создавая участки с разной плотностью. Именно поэтому ночная сторона в отдельных областях выглядит менее яркой — облака частично скрывают более горячие и глубокие слои атмосферы. О существовании таких облачных структур ученые судят по изменениям спектра, которые наблюдаются по мере движения планеты вокруг звезды.
Ученые обнаружили, что углерода, кислорода и кремния в атмосфере планеты больше, чем в веществе ее звезды. Это может говорить о том, что во время формирования WASP-121b накапливала не только газ из протопланетного диска, но и большое количество твердых тел. Наблюдения также показали, что состав атмосферы заметно меняется между дневной и ночной сторонами. В одних областях высокие температуры разрушают химические соединения, а в других они могут образовываться вновь.
Что в итоге? Полученные данные помогают лучше понять, как устроены атмосферы ультрагорячих газовых гигантов и как такие планеты формируются вблизи своих звезд. Наблюдения подтвердили важную роль переноса тепла, вертикального перемешивания и сложных химических процессов, которые необходимо учитывать при построении современных моделей экзопланет. Исследование также показало, насколько далеко продвинулись возможности астрономических инструментов: телескоп «Джеймс Уэбб» впервые позволил составить подробную карту температуры, облаков и химического состава атмосферы мира, расположенного в сотнях световых лет от Земли. В будущем подобные методы планируют применять и к другим экзопланетам, постепенно переходя от изучения отдельных объектов к сравнению целых классов далеких миров.