На горячем юпитере WASP-121b идут дожди из драгоценных камней

Астрономы Массачусетского технологического института получили самое четкое представление о вечной темной стороне экзопланеты, которая «приливно привязана» к своей звезде. Их наблюдения в сочетании с измерениями постоянной дневной стороны планеты дают первое подробное представление о глобальной атмосфере экзопланеты.

«Теперь мы выходим за рамки изолированных снимков определенных областей атмосфер экзопланет, чтобы изучать их как трехмерные системы, которыми они действительно являются», — говорит Томас Микал-Эванс, который руководил научной группой.

Планета в центре нового исследования — это WASP-121b, массивный газовый гигант, почти в два раза больше Юпитера.

Эта планета является сверхгорячим Юпитером и была обнаружена в 2015 году на расстоянии около 850 световых лет от Земли. WASP-121b имеет одну из самых коротких орбит, обнаруженных на сегодняшний день и совершает оборот вокруг своей звезды всего за 30 часов.

Экзопланета заблокирована приливами, так что ее обращенная к звезде дневная сторона постоянно нагревается, а ночная сторона, напротив, охлаждается.

«Горячие юпитеры известны тем, что имеют очень яркие дневные стороны, но ночная сторона — совсем другое дело. Ночная сторона WASP-121b примерно в 10 раз тусклее, чем ее дневная сторона», — говорят ученые.

Ранее астрономы обнаружили водяной пар и изучили, как температура атмосферы меняется с высотой на дневной стороне планеты.

Новое исследование дает гораздо более подробную картину. Исследователи смогли нанести на карту резкие изменения температуры с дневной на ночную сторону и увидеть, как эти температуры меняются с высотой.

Они также отследили присутствие воды в атмосфере, чтобы впервые показать, как вода циркулирует между дневной и ночной сторонами планеты.

В то время как на Земле в результате круговорота воды она сначала испаряется, затем конденсируется в облака, а затем выливается дождем, на WASP-121b круговорот воды гораздо более интенсивен: на дневной стороне атомы, составляющие воду, разрываются на части при температуре выше 3000° Кельвина.

Эти атомы уносятся ветром на ночную сторону, где более низкие температуры позволяют атомам водорода и кислорода рекомбинировать в молекулы воды, которые затем уносятся обратно на дневную сторону, где цикл начинается снова.

Ученые подсчитали, что круговорот воды на планете поддерживается ветрами, которые гонят атомы вокруг планеты со скоростью до 5 километров в секунду, или более 17 500 км в час.

Кроме того, астрономы выяснили, что не только вода циркулирует по планете. Они обнаружили, что ночная сторона достаточно холодная, чтобы вместить экзотические облака железа и корунда — минерала, из которого состоят рубины и сапфиры.

Эти облака, подобно водяному пару, могут перемещаться на дневную сторону, где высокие температуры превращают металлы в газообразное состояние. По пути может образовываться экзотический дождь, например, капли жидких драгоценных камней из корундовых облаков.

«Благодаря этому наблюдению мы действительно получаем глобальное представление о метеорологии экзопланеты», — говорит Микал-Эванс.

Меняющаяся характеристика воды помогла команде ученых составить карту температурного профиля как дневной, так и ночной стороны. Они обнаружили, что температура дневной стороны колеблется от 2500 Кельвинов в самом глубоком наблюдаемом слое до 3500 Кельвинов в самых верхних слоях.

Температура на ночной стороне колеблется от 1800 Кельвинов в самом глубоком слое до 1500 Кельвинов в верхних слоях атмосферы. Интересно, что температурные профили колебались, повышаясь с высотой на дневной стороне — «тепловая инверсия» в метеорологических терминах — и снижаясь с высотой на ночной стороне.

Затем исследователи пропустили температурные карты через различные модели, чтобы определить химические вещества, которые, вероятно, существуют в атмосфере планеты, учитывая определенные высоты и температуры. Это моделирование выявило потенциал для металлических облаков, состоящих из таких металлов как железо, корунд и титан, на ночной стороне.

Из карты температуры ученые выяснили, что самая горячая область планеты смещена к востоку от «подзвездной» области непосредственно под звездой. Они пришли к выводу, что это смещение связано с сильным ветром.

«Газ нагревается в подзвездной точке, но выдувается на восток, прежде чем успевает повторно излучаться в космос», — объясняет Микал-Эванс.

Судя по размеру сдвига, ученые оценивают скорость ветра примерно в 5 километров в секунду и, вероятно, могут перемещать облака по всей планете примерно за 20 часов.

Астрономы зарезервировали время на космическом телескопе Джеймс Уэбб для наблюдения за WASP-121b в конце этого года и надеются составить карту изменений не только водяного пара, но и угарного газа, который, как подозревают ученые, должен находиться в атмосфере.