Астрономы создали трехмерную карту атмосферы экзопланеты WASP-18b

Космический телескоп Джеймс Уэбб продолжает совершать революцию в наших представлениях о далеких мирах. Совсем недавно астрономы впервые в истории смогли создать не просто изображение, а трехмерную карту атмосферы планеты, вращающейся вокруг другой звезды. Этот прорыв стал возможен благодаря изучению экзопланеты WASP-18b, сверхгорячего газового гиганта, где царят температуры, способные разрывать молекулы воды на части. Новаторская методика, известная как спектроскопическое картирование затмений, позволила ученым не только увидеть распределение температур по поверхности невидимого мира, но и понять его сложную вертикальную структуру, открыв новую эру в исследовании атмосфер экзопланет.

Международная группа астрономов под руководством Райана Челленера из Корнеллского университета совершила качественный скачок в изучении планет за пределами Солнечной системы. Их работа, опубликованная в журнале Nature Astronomy, основана на данных, полученных с помощью инструмента NIRISS на борту космического телескопа Джеймс Уэбб. Исследователям удалось преобразовать предыдущую двумерную модель в первую в мире трехмерную карту температур атмосферы экзопланеты WASP-18b.

Ключом к этому достижению стал метод спектроскопического картирования затмений. Его суть заключается в сверхточном измерении ничтожных изменений яркости системы звезда-планета, которые происходят, когда планета движется по своей орбите, частично затмевая и вновь открывая различные участки своей поверхности с точки зрения земного наблюдателя. Анализируя эти микроскопические колебания блеска в различных длинах волн инфракрасного света, ученые смогли связать их с определенными регионами на видимой «дневной стороне» планеты, которая постоянно обращена к своей звезде из-за приливного захвата.

Новаторство трехмерного подхода заключается в том, что каждая длина волны света соответствует поглощению определенными молекулами в атмосфере, что, в свою очередь, указывает на различную температуру и высоту.

«Если построить карту на длине волны, поглощаемой водой, вы увидите слой воды в атмосфере, тогда как длина волны, не поглощаемая водой, позволит исследовать более глубокие слои», — сказал Райан Челленер. «Если объединить эти данные, можно получить трехмерную карту температур в этой атмосфере». Совместив эти данные, команда исследователей смогла построить карту, включающую не только широту и долготу, но и высоту, раскрывая объемную тепловую структуру атмосферы.

Анализ WASP-18b выявил сложную и неожиданную картину. Была обнаружена четко очерченная круглая «горячая точка» в регионе, получающем максимальное количество прямого звездного света. Температура здесь приближается к 2760 °C. Удивительно, но атмосферные ветры, характерные для таких планет, оказались недостаточно сильными, чтобы эффективно перераспределить это экстремальное тепло, что противоречит некоторым теоретическим моделям. Эту центральную область окружает более холодное кольцо, расположенное ближе к видимому краю (лимбу) планеты.

Одним из самых интригующих открытий стали спектроскопические данные более низкого содержания водяного пара в самой горячей точке по сравнению со средним показателем по планете. Исследователи интерпретируют это как прямое свидетельство того, что температура здесь настолько высока, что начинает разрушать молекулы воды, расщепляя их на кислород и водород. Хотя такой процесс предсказывался теоретически, команда Челленера впервые получила наблюдательные данные, которые его подтверждают.

Это исследование демонстрирует, что для сотен известных «горячих юпитеров» астрономы теперь могут начинать составлять подробные карты их атмосферных изменений, аналогично тому, как когда-то наземные телескопы впервые изучили Большое Красное Пятно Юпитера и его полосатую облачную структуру.

Как отметил Райан Челленер, новая технология позволяет изучать экзопланеты как популяцию, в трехмерном пространстве, что открывает путь к сравнительной планетологии за пределами Солнечной системы. Дальнейшие наблюдения на JWST позволят улучшить разрешение этой первой карты и применить этот мощный метод к множеству других миров.