Облака закрывают ночную сторону горячей экзопланеты
Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), команда астрономов, включая ученых из MPIA, составила глобальную температурную карту экзопланеты WASP-43b, горячего газового гиганта. Ближайшая родительская звезда постоянно освещает одно из полушарий, повышая температуру до 1250°C. Между тем, на противоположной стороне планеты царит вечная ночь. Сильные ветры переносят обжигающе горячий воздух на ночную сторону, где он охлаждается до 600°C, что позволяет облакам образовываться и покрывать все полушарие. Эти бури настолько ухудшают химические реакции, что образование метана практически невозможно, хотя в более спокойных условиях его должно быть в избытке. Горячие Юпитеры - это экзопланеты - экстремальные газовые гиганты, которые вращаются вокруг своих звезд-хозяев в непосредственной близости, что приводит к нескольким экзотическим свойствам, касающимся температуры, плотности, состава, химии и погоды. С появлением новаторски чувствительных телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы начали изучать их атмосферы в мельчайших деталях.
Международное сотрудничество астрономов, команда JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), наблюдала за горячим Юпитером WASP-43b с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) для изучения его климата. Результаты этого исследования, проведенного Тейлором Дж. Беллом (Институт БЭРА и отдел космической науки и астробиологии Исследовательского центра Эймса НАСА, США), опубликованы в журнале Nature Astronomy. Главным результатом является карта, отображающая глобальное распределение температуры, полученное на основе инфракрасного излучения, которое WASP-43b испускает в ответ на излучение своей звезды-хозяина. 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. Для сравнения, на Юпитере, газовом гиганте Солнечной системы, температура достигает -135°C.
Несмотря на сходство с Юпитером по размеру и массе, это совсем другой мир. WASP-43b вращается по исключительно плотной орбите вокруг своей звезды-хозяина, WASP-43, пролетая всего в двух диаметрах от поверхности звезды и завершая свой оборот всего за 19,5 часов. Небольшое расстояние привело к синхронизации дня и года на планете. Другими словами, вращение вокруг звезды занимает столько же времени, сколько и вращение планеты вокруг своей оси. Следовательно, звезда всегда освещает и нагревает одну и ту же сторону планеты. Ветры переносят воздух в противоположное полушарие, где он охлаждается в условиях вечной ночи. Однако на WASP-43b эти ветры чрезвычайно сильны, их скорость достигает почти 9000 км/ч, что превосходит все, что мы наблюдаем в Солнечной системе. По сравнению с этим даже самые сильные ветры на Юпитере - всего лишь легкий бриз. "С помощью телескопа "Хаббл" 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 от 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 сторонами был сильнее, чем можно было бы ожидать в безоблачной атмосфере. Модельные расчеты подтверждают, что ночная сторона планеты окутана толстым слоем облаков высоко в атмосфере, который блокирует большую часть инфракрасного излучения снизу, которое мы могли бы видеть в противном случае. Точные типы облаков пока неизвестны. Очевидно, что это будут не водяные облака, подобные земным, не говоря уже об облаках аммиака, которые мы наблюдаем на Юпитере, поскольку на планете слишком жарко, чтобы вода и аммиак могли конденсироваться. Вместо этого при таких температурах более вероятно присутствие облаков, состоящих из камней и минералов. Следовательно, нам следует ожидать появления облаков, состоящих из капель жидкой породы. С другой стороны, более жаркая дневная сторона WASP-43b, по-видимому, свободна от облаков.
Чтобы более детально изучить состав атмосферы, команда ученых создала спектры, то есть разложила полученный инфракрасный свет на крошечные отрезки длин волн, похожие на радугу, которая раскрывает цветовые составляющие солнечного света. Этот метод позволил им идентифицировать сигнатуры отдельных химических соединений, которые излучают на определенных длинах волн. В результате астрономы подтвердили более ранние измерения водяного пара, но теперь уже по всей планете. "Хаббл" смог изучить только дневную сторону, поскольку ночная сторона была слишком темной, чтобы различить там молекулы. JWST, обладающий более высокой чувствительностью, теперь дополняет картину. Кроме того, горячие Юпитеры, как правило, содержат большое количество молекулярного водорода и монооксида углерода, которые не удалось исследовать с помощью наблюдений команды. Однако при воздействии на более холодную ночную сторону водород и монооксид углерода участвуют в ряде реакций, которые приводят к образованию метана и воды. Однако МИРИ не обнаружила никакого метана.
Астрономы объясняют этот сюрприз огромными скоростями ветра на WASP-43b. Участники реакции так быстро переходят на более прохладную ночную сторону, что остается мало времени для ожидаемых химических реакций с образованием заметного количества метана. Любая небольшая фракция метана тщательно перемешивается с другими газами. Он быстро возвращается на дневную сторону, где подвергается разрушительному воздействию высокой температуры. "Благодаря новой наблюдательной способности JWST WASP-43b был представлен в беспрецедентных деталях", - сказала Лаура Крейдберг, директор Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия. Она является соавтором основной исследовательской статьи и изучает планету уже десять лет. "Мы видим сложный, негостеприимный мир с яростными ветрами, резкими перепадами температур и пятнистыми облаками, которые, вероятно, состоят из капель горных пород. WASP-43b является напоминанием об огромном разнообразии климатических условий, которые возможны на экзопланетах, и о том, что Земля во многих отношениях особенная".
WASP-43b была открыта в 2011 году с помощью транзитного метода. Всякий раз, когда орбита экзопланеты ориентирована таким образом, что, с нашей точки зрения, она проходит перед своей звездой-хозяином, затмение блокирует небольшую часть звездного света. Эти периодические падения яркости звезды являются характерным признаком объекта, вращающегося вокруг звезды. Точная форма позволяет рассчитать размер планеты и угол наклона орбиты. Астрономы используют вторичный эффект для детального изучения планеты. Рассмотрим изменение освещенности Венеры, напоминающее фазы Луны, во время ее обращения вокруг Солнца. Транзитные экзопланеты демонстрируют различные фазы инфракрасного излучения во многом таким же образом, в зависимости от того, как звезда нагревает дневную сторону.
Наблюдение за постепенным изменением пропорций горячего и холодного полушарий, которое мы наблюдаем, приводит к характерной закономерности изменения измеренной инфракрасной яркости планеты во времени. Анализ этого мельчайшего сигнала, так называемой фазовой кривой, полученной астрономами от WASP-43b, позволил им построить температурную карту и локализовать газы, из которых состоит атмосфера планеты. В ходе последующего исследования другая команда, возглавляемая бывшим ученым MPIA Стефаном Биркманом (Европейское космическое агентство, ЕКА), изучит WASP-43b с помощью спектрометра ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRSpec). Эти измерения будут чувствительны к газообразному угарному газу, который должен преобладать в атмосфере. Кроме того, расширенный диапазон длин волн улучшит точность температурной карты MIRI и поможет более точно исследовать распределение и состав облаков.
