Астрономы создали «полевой справочник» по горячим Юпитерам

Объединив наблюдения космического телескопа Хаббл с теоретическими моделями, группа астрономов получила представление о химическом и физическом составе различных экзопланет, известных как горячие юпитеры. Полученные данные представляют собой новый и улучшенный «полевой справочник» для этой группы планет и дают представление о формировании планет в целом.

Горячие юпитеры — гигантские газовые планеты, которые вращаются вокруг своих звезд на чрезвычайно близких орбитах — стали немного менее загадочными благодаря новому исследованию, сочетающему теоретическое моделирование с наблюдениями космического телескопа Хаббла.

В то время как предыдущие исследования в основном фокусировались на отдельных мирах, классифицированных как «горячие юпитеры» из-за их внешнего сходства с газовым гигантом в нашей солнечной системе, новое исследование — первое, в котором рассматривается более широкая популяция странных миров.

Хотя астрономы считают, что только примерно у 1 из 10 звезд есть экзопланета класса горячего Юпитера, специфические планеты составляют значительную часть экзопланет, открытых на сегодняшний день, из-за того, что они больше и ярче, чем другие типы экзопланет, такие как как скалистые, более похожие на Землю планеты или меньшие, более прохладные газовые планеты.

Все горячие Юпитеры, имеющие размер от одной трети размера Юпитера до 10 масс Юпитера, вращаются вокруг своей звезды на очень близком расстоянии, обычно намного ближе, чем Меркурий. «Год» на типичном горячем Юпитере длится часы или, самое большее, несколько дней. Для сравнения, Меркурию требуется почти три месяца, чтобы совершить путешествие вокруг Солнца.

Считается, что из-за их близких орбит большинство, если не все, горячие юпитеры гравитационно заблокированы со своими звездами-хозяевами, причем одна сторона вечно подвергается воздействию излучения звезды, а другая окутана вечной тьмой. Поверхность типичного горячего Юпитера может нагреваться до почти 2800 градусов по Цельсию, а «более холодные» образцы достигают 760 градусов — достаточно горячо, чтобы плавить алюминий.

В исследовании использовались наблюдения, сделанные с помощью космического телескопа Хаббла, которые позволили команде астрономов напрямую измерить спектры излучения горячих юпитеров, несмотря на то, что Хаббл не может напрямую получить изображения ни одной из этих планет.

Астрономы использовали метод, известный как вторичное затмение, чтобы извлечь информацию из наблюдений, которая позволила им заглянуть глубоко в атмосферы планет и получить представление об их структуре и химическом составе. Этот метод включает в себя многократные наблюдения одной и той же системы, захват планеты в различных местах ее орбиты, в том числе когда она заходит за звезду.

«Мы в основном измеряем объединенный свет, исходящий от звезды и ее планеты, и сравниваем это измерение с тем, что мы видим, когда планета скрыта за своей звездой», — говорят исследователи. «Это позволяет нам вычесть вклад звезды и изолировать свет, излучаемый планетой, даже если мы не можем видеть его напрямую».

Данные о затмении предоставили исследователям представление о термической структуре атмосфер горячих юпитеров и позволили им построить индивидуальные профили температуры и давления для каждого из них.

Затем команда проанализировала ближний инфракрасный свет, который представляет собой полосу длин волн, выходящую за пределы диапазона, который люди могут видеть, исходящий от каждой системы горячего Юпитера на предмет так называемых характеристик поглощения.

Поскольку каждая молекула или атом имеет свой собственный профиль поглощения, изучение различных длин волн позволяет исследователям получить информацию о химическом составе горячих юпитеров. Например, если в атмосфере планеты присутствует вода, она будет поглощать свет размером 1,4 микрона, что соответствует диапазону длин волн, который Хаббл может очень хорошо видеть.

Ученые пошли еще дальше, количественно оценив данные наблюдений и сравнив их с разработанными моделями физических процессов, которые, как считается, происходят в атмосферах горячих юпитеров. Эти два набора очень хорошо совпадают, подтверждая, что многие предсказания о природе планет, основанные на теоретической работе являются корректными.

Результаты показывают, что все горячие юпитеры, а не только 19 включенных в исследование, вероятно, содержат аналогичные наборы молекул, такие как вода и окись углерода, а также меньшее количество других молекул. Различия между отдельными планетами в основном сводятся к разному относительному количеству этих молекул. Результаты также показали, что наблюдаемые особенности водопоглощения незначительно менялись от одного горячего Юпитера к другому.

«Взятые вместе, наши результаты говорят нам, что есть большая вероятность, что мы выяснили общие аспекты, которые происходят в химическом составе этих планет», — говорят ученые. «В то же время каждая планета имеет свой собственный химический состав, и это также влияет на то, что мы видим в наших наблюдениях».

«За последнее десятилетие было сделано много захватывающих и неожиданных открытий в отношении атмосфер горячих Юпитеров. Что хорошо в этом исследовании, так это то, что, возможно, эти миры не такие экзотические, как мы изначально ожидали; они выглядят вполне в соответствии с прогнозами нашей модели».

По словам авторов, результаты могут быть использованы для определения того, что астрономы смогут увидеть, глядя на горячий Юпитер, который ранее не изучался. Запуск флагманского космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST),  взволновал охотников за экзопланетами, потому что Уэбб может видеть в гораздо более широком диапазоне инфракрасного света и позволит гораздо более детально изучить экзопланеты, в том числе горячие юпитеры.