|
Планета WASP-121b является экстремальной
|
|
|
|
Планета WASP-121b является экстремальной. Это газовый гигант, почти вдвое больше Юпитера, обращающийся вокруг своей звезды очень близко – в 50 раз ближе, чем Земля обращается вокруг Солнца. WASP-121b находится так близко к своей звезде, что приливные силы привели ее вращение в "резонанс": планета всегда обращена к своей звезде одной и той же стороной, как Луна к Земле. Таким образом, одна сторона WASP-121b постоянно нагревается на свету, в то время как другая находится в условиях вечной ночи. Эта разница вызывает огромные колебания температуры по всей планете. С одной стороны, температура может превышать 3000°C, а с другой - опускаться до 1500°C.
|
|
|
|
Этот огромный температурный контраст является источником сильных ветров, дующих со скоростью несколько километров в секунду, которые пытаются перераспределить энергию между днем и ночью. До сих пор нам приходилось определять силу и направление ветров с помощью косвенных измерений, таких как измерение температуры на планете. В последние годы, с появлением новых приборов на гигантских телескопах, мы смогли напрямую измерить скорость ветра у некоторых экзопланет, включая WASP-121b.
|
|
|
|
В нашем исследовании, опубликованном в журнале Nature и проведенном моей коллегой Джулией Зайдель, мы изучили не только скорость ветра на экзопланете, но и то, как эти ветры меняются с высотой. Нам впервые удалось измерить, что ветры в самых глубоких слоях атмосферы сильно отличаются от ветров на больших высотах. Скажем так: на Земле ветер, дующий со скоростью несколько десятков километров в час, уже затрудняет езду на велосипеде; на WASP-121b крутить педали было бы невозможно, потому что ветер в сто раз быстрее.
|
|
|
|
|
|
|
Наши измерения показывают поведение центральной зоны атмосферы, которая образует связующее звено между глубокими слоями атмосферы, обычно наблюдаемыми с помощью телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба, и внешними зонами, где атмосфера выходит в космос, раздуваемая ветром, исходящим от ее звезды.
|
|
|
|
Как мы измерили атмосферу планеты, находящейся от нас на расстоянии миллионов миллиардов километров?
|
|
|
|
Для проведения наших измерений мы использовали один из самых точных спектрографов на Земле, установленный на самом большом из доступных нам телескопов: ESPRESSO в Европейской южной обсерватории (ESO), очень большом телескопе (VLT), расположенном в пустыне Атакама в Чили. Чтобы собрать как можно больше света, мы объединили излучение четырех телескопов VLT диаметром 8 метров. Благодаря этой комбинации, которая все еще тестируется, мы собрали столько света, сколько смог бы собрать телескоп диаметром 16 метров, что было бы больше, чем у любого оптического телескопа на Земле.
|
|
|
|
Сверхточный спектрограф ESPRESSO позволил нам разделить излучение планеты на 1,3 миллиона длин волн. Это позволяет нам наблюдать как можно больше цветов в видимом спектре. Такая точность необходима для обнаружения различных типов атомов в атмосфере планеты. На этот раз мы изучили, как три различных типа атомов поглощают свет от звезды: водород, натрий и железо (все они находятся в газообразном состоянии, учитывая очень высокие температуры).
|
|
|
|
Очень точно измерив положение этих спектральных линий, мы смогли непосредственно измерить скорость движения атомов. Эффект Доплера говорит нам о том, что атом, приближающийся к нам, поглощает больше синего света, в то время как атом, удаляющийся от нас, поглощает больше красного света. Измеряя длину волны поглощения каждого из этих атомов, мы получаем столько же различных измерений скорости ветра на этой планете.
|
|
|
|
Мы обнаружили, что линии различных атомов рассказывают разные истории. Железо движется со скоростью 5 километров в секунду от субзвездной точки (области планеты, ближайшей к звезде-хозяину) к антизвездной точке (самой удаленной) очень симметрично. Натрий, с другой стороны, распадается надвое: некоторые атомы движутся подобно железу, в то время как другие движутся по экватору прямо с востока на запад в четыре раза быстрее, с ошеломляющей скоростью 20 километров в секунду. Наконец, водород, по-видимому, движется вместе с натриевым потоком с востока на запад, но также вертикально, что, без сомнения, позволяет ему покидать планету.
|
|
|
|
Чтобы согласовать все это, мы подсчитали, что эти три разных атома на самом деле находятся в разных частях атмосферы. В то время как атомы железа находятся в более глубоких слоях, где ожидается симметричная циркуляция, натрий и водород позволяют нам исследовать гораздо более высокие слои, где атмосфера планеты продувается ветром, дующим от звезды-хозяина. Этот звездный ветер в сочетании с вращением планеты, вероятно, переносит вещество асимметрично, причем направление движения определяется вращением планеты.
|
|
|
|
Зачем изучать атмосферы экзопланет?
|
|
|
|
WASP-121b - одна из тех гигантских газовых планет с температурой более 1000°C, которые известны как "горячие Юпитеры". Первое наблюдение этих планет Мишелем Майором и Дидье Келозом (которое позже принесло им Нобелевскую премию по физике) в 1995 году стало неожиданностью, особенно потому, что модели формирования планет предсказывали, что эти планеты-гиганты не могли образоваться так близко к своей звезде. Наблюдения Мэра и Келоса заставили нас понять, что планеты не обязательно формируются там, где они находятся в настоящее время. Вместо этого они могут мигрировать, то есть перемещаться в молодости.
|
|
|
|
Как далеко от своей звезды формируются "горячие юпитеры"? На какие расстояния мигрировали эти объекты в период своего зарождения? Почему Юпитер в нашей Солнечной системе не мигрировал к Солнцу? (Нам повезло, что этого не произошло, потому что в то же самое время Земля столкнулась бы с нашей звездой.)
|
|
|
|
Некоторые ответы на эти вопросы могут лежать в атмосфере экзопланет, которые демонстрируют следы условий своего формирования. Однако изменения температуры или химического состава в каждой атмосфере могут радикально исказить результаты измерений, которые мы пытаемся выполнить с помощью больших телескопов, таких как James Webb. Чтобы использовать наши измерения, нам сначала нужно понять, насколько сложны эти атмосферы.
|
|
|
|
Чтобы сделать это, нам нужно понять фундаментальные механизмы, которые управляют атмосферой этих планет. В Солнечной системе ветры можно измерить напрямую, например, посмотрев, с какой скоростью движутся облака. На экзопланетах мы не можем непосредственно увидеть какие-либо детали.
|
|
|
|
В частности, "горячие юпитеры" вращаются так близко к своим звездам, что мы не можем разделить их пространственно и сфотографировать экзопланеты. Вместо этого из тысяч известных экзопланет мы выбираем те, у которых хватает ума периодически проходить между своей звездой и нами. Во время этого "прохождения" свет от звезды фильтруется атмосферой планеты, что позволяет нам измерять признаки поглощения различными атомами или молекулами. В целом, данные, которые мы получаем, недостаточно хороши, чтобы отделить свет, проходящий с одной стороны планеты, от света, проходящего с другой, и в итоге мы получаем среднее значение того, что поглотила атмосфера. Поскольку условия вдоль границы атмосферы (т.е. участок атмосферы, окружающий планету, наблюдаемый из космоса) могут сильно различаться, интерпретация итогового среднего значения часто вызывает головную боль.
|
|
|
|
На этот раз, используя телескоп, который, по сути, больше любого другого оптического телескопа на Земле, и объединив его с чрезвычайно точным спектрографом, мы смогли отделить сигнал, поглощаемый восточной стороной лимба планеты, от сигнала, поглощаемого западной стороной. Это позволило нам измерить пространственные колебания ветров на планете.
|
|
Будущее изучения атмосферы экзопланет
|
|
|
|
В настоящее время в Европе ведется строительство телескопов следующего поколения, во главе с Чрезвычайно большим телескопом ESO, запуск которого запланирован на 2030 год. ELT будет иметь зеркало диаметром 30 метров, что в два раза больше, чем у телескопа, который мы получили, объединив излучение четырех 8-метровых телескопов VLT.
|
|
|
|
Этот гигантский телескоп позволит собрать еще более точные данные об атмосферах экзопланет. В частности, он будет измерять силу ветра на экзопланетах, которые меньше и холоднее, чем "горячие Юпитеры".
|
|
|
|
Но чего мы все действительно ждем, так это способности ELT измерять присутствие молекул в атмосфере скалистых планет, вращающихся в обитаемой зоне своей звезды, где вода может присутствовать в жидком состоянии.
|
|
|
|
Источник
|
