Гигантская экзопланета, находящаяся на расстоянии 855 световых лет от нас, настолько экстремальна, что на ней есть облака из испарившихся металлов и льются жидкие рубины и сапфиры. К такому выводу пришли астрономы после исследования ее атмосферы - самого подробного на сегодняшний день подобного анализа, впервые раскрывающего условия и динамику постоянной ночной стороны экзопланеты. "Несмотря на открытие тысяч экзопланет, мы смогли изучить атмосферы лишь небольшой части из них из-за сложного характера наблюдений", - говорит астроном Томас Микал-Эванс из Института астрономии Макса Планка в Германии.
"Сейчас мы выходим за рамки изолированных снимков отдельных областей атмосфер экзопланет и изучаем их как трехмерные системы, которыми они действительно являются", - добавляет он. Рассматриваемая экзопланета - одна из самых известных и хорошо изученных на сегодняшний день. Она называется WASP-121 b, впервые обнаруженная в 2015 году. Это газовый гигант массой в 1,18 раза больше и размером в 1,81 раза больше Юпитера, находящийся на близкой орбите своей звезды всего 1,27 дня. Через два года после открытия WASP-121 b стала первой экзопланетой, в стратосфере которой была обнаружена вода.
Однако крайне маловероятно, что WASP-121 b может быть пригодна для жизни. На такой близкой орбите она очень горячая, ее температура колеблется между 1500 и 3000 Кельвинов (1227-2727 градусов Цельсия, или 2240-4940 градусов по Фаренгейту). Размеры и близость WASP-121 b к своей звезде-хозяину WASP-121 позволяют отнести ее к категории горячих юпитеров - газовых гигантских экзопланет, орбиты которых со звездами-хозяевами составляют менее 10 дней. Из почти 5 000 экзопланет, подтвержденных на сегодняшний день, более 300 относятся к этой экстремальной категории, но WASP-121 b называют "прототипом" сверхгорячих юпитеров.
Поскольку WASP-121 b находится на такой близкой орбите, она также прилипает к своей звезде, что происходит, когда орбитальное тело вращается с той же скоростью, что и она. Это означает, что экзопланета всегда обращена одной стороной к своей звезде, где постоянно палящий дневной свет, а другая сторона всегда обращена в сторону, где постоянно темнота. Предыдущие исследования атмосферы WASP 121 b обнаружили пары тяжелых металлов в атмосфере ее дневной стороны. Ночную сторону исследовать немного сложнее, поскольку она примерно в 10 раз темнее дневной. Чтобы получить более подробную информацию обо всей экзопланете, Микал-Эванс и его команда использовали космический телескоп Хаббл для наблюдения за двумя полными орбитами WASP-121 b, объединив данные с дневной и ночной стороны, чтобы увидеть глобальное функционирование атмосферы.
Этот подробный, меняющийся спектр света позволил им впервые наблюдать и реконструировать полный водный цикл экзопланеты. "Мы увидели эту водную характеристику и отобразили, как она менялась на разных участках орбиты планеты", - объясняет Микал-Эванс. "Это кодирует информацию о том, как температура атмосферы планеты зависит от высоты". Здесь, на Земле, круговорот воды включает в себя фазовые переходы, когда вода переходит в пар, жидкость и твердое тело (лед). На WASP-121 b, даже на ночной стороне, температура слишком высока для твердой или жидкой фазы воды. Вместо этого на дневной стороне, где температура превышает 3 000 Кельвинов, потеря энергии молекулами воды приводит к их свечению в инфракрасном диапазоне волн. Под воздействием температуры они могут даже разрушаться, распадаясь на водород и кислород.
На ночной стороне гораздо прохладнее, хотя по земным меркам все еще безумно жарко, температура опускается до 1 500 Кельвинов. Эта экстремальная разница температур между полушариями создает постоянную разницу в давлении, которая порождает экстремальные западные ветры, проносящиеся вокруг экзопланеты, унося с собой молекулы и атомы воды. "Эти ветры намного быстрее, чем наш реактивный поток, и, вероятно, могут перемещать облака по всей планете примерно за 20 часов", - говорит астрофизик Тансу Дейлан из Массачусетского технологического института. Когда эти ветры достигают ночной стороны WASP-121 b, температура становится достаточно низкой, чтобы вернуть воду в парообразное состояние, после чего она снова переносится на дневную сторону".
Но вода не будет конденсироваться в облака. Вместо этого, исследования команды показывают, что температура ночной стороны достаточно низкая, чтобы облака могли образоваться из металлов, ранее обнаруженных в атмосфере WASP-121 b. Среди них ванадий, железо, хром, кальций, натрий, магний и никель, но, что интересно, ни алюминия, ни титана. Команда считает, что эти элементы могли сконденсироваться и опуститься глубже в атмосферу WASP 181 b, где мы не можем их обнаружить. Там алюминий может соединиться с кислородом и образовать минерал корунд - кристаллическую форму оксида алюминия. Здесь, на Земле, при смешивании со следовыми количествами других металлов, таких как ванадий, железо, хром или титан, он образует рубины и сапфиры. Это означает, что на WASP-181 b может идти дождь из драгоценных камней. Хотя на Нептуне и Уране тоже может идти дождь из драгоценных камней - в любом случае, у нас нет надежды собрать их, но WASP-181 b показывает нам, какое удивительное разнообразие может существовать в различных типах миров.
Команда уже зарезервировала время на недавно запущенном космическом телескопе Джеймса Уэбба, чтобы провести дополнительные наблюдения за WASP-181 b. Они надеются найти угарный газ, чтобы узнать больше о том, как формируются горячие юпитеры. Мы считаем, что они не могут рождаться вблизи своих звезд; согласно нашим современным моделям формирования планет, гравитация, радиация и интенсивный звездный ветер не дают газу слипаться. Наблюдения "Уэбба" могут помочь решить эту загадку. "Это будет первый раз, когда мы сможем измерить молекулы углерода в атмосфере этой планеты", - говорит Микал-Эванс. "Количество углерода и кислорода в атмосфере дает представление о том, где формируются подобные планеты". Исследование группы было опубликовано в журнале Nature Astronomy.
