Утро и вечер на раскаленной планете WASP-121 b оказались принципиально разными

Международная группа астрономов под руководством Сирила Гаппа из Института астрономии им. Макса Планка в Гейдельберге (Германия) обнаружила существенные различия в атмосферных условиях между утренней и вечерней переходными зонами ультрагорячей газовой планеты WASP-121 b. Открытие, ставшее возможным благодаря уникальной чувствительности космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), подтверждает теоретические предсказания о существовании асимметрии на границах между дневной и ночной сторонами экзопланеты.  

Подумайте о планете, где вечный день сменяется вечной ночью, а между ними проходит узкая полоса сумерек. Именно так выглядит WASP-121 b, газовый гигант, расположенный настолько близко к своей звезде, что его вращение синхронизировалось с орбитальным движением. Одно полушарие этой планеты всегда обращено к звезде и раскалено до почти 2500 градусов Цельсия, тогда как противоположная сторона погружена во мрак и остыла примерно до 725 градусов. Переходные зоны, разделяющие эти два мира — терминаторы, давно интересовали ученых. Но только теперь, с помощью JWST, удалось заглянуть в их природу с беспрецедентной детальностью.

Ключом к открытию стало наблюдение за транзитом планеты, то есть за ее прохождением на фоне звездного диска. Когда планета движется перед светилом, ее атмосфера фильтрует часть звездного света, и спектрограф NIRSpec, установленный на телескопе Джеймс Уэбб, зафиксировал тончайшие изменения в поглощении инфракрасного излучения. Оказалось, что эти изменения неодинаковы в начале и в конце транзита, а это напрямую связано с тем, какие участки атмосферы в данный момент закрывают звезду.

Вечерний терминатор, то есть та граница, где планета переходит из дня в ночь на стороне, следующей за орбитальным движением, поглощает заметно больше света, чем утренний. Ученые объясняют это мощными ветрами, которые несут раскаленные газовые массы с дневной стороны на ночную, следуя за вращением планеты. В результате вечерняя переходная зона нагревается сильнее, атмосфера в этом месте расширяется, и планета как бы увеличивается в поперечнике, эффективнее перехватывая звездное излучение.

Спектральный анализ добавил еще больше интригующих деталей. Сигнал оксида углерода (CO) на вечерней стороне оказался усиленным, однако это, по-видимому, чисто температурный эффект, а не следствие повышенной концентрации молекул. А вот с водой (H₂O) все иначе: ее количество в атмосфере на вечернем терминаторе снижается. И это не кажущееся изменение: температуры в верхних слоях настолько высоки, что молекулы воды просто распадаются на составные части. Таким образом, горячие ветры не только нагревают вечернюю зону, но и буквально разрушают водяной пар.

Чтобы уловить эти едва заметные различия, исследователям пришлось отказаться от стандартной практики усреднения сигнала за весь транзит. Вместо этого они разработали методику, учитывающую временную эволюцию спектра по мере того, как планета медленно поворачивается вокруг своей оси. За время прохождения перед звездой WASP-121 b успевает развернуться примерно на 30 градусов, этого оказалось достаточно, чтобы разделить вклады утренней и вечерней границ.

Однако наблюдения преподнесли и сюрприз. Измеренная асимметрия оказалась сильнее, чем предсказывали существующие атмосферные модели. Это заставило ученых задуматься о том, какие физические механизмы они упустили. Наиболее вероятным объяснением стало наличие облаков на утреннем терминаторе.

Только не привычных нам водяных облаков, там слишком жарко. Речь идет о своеобразных «каменных» облаках, состоящих из мельчайших частиц силикатов. Такие облака могут эффективно экранировать инфракрасное излучение, исходящее из более глубоких и горячих слоев атмосферы, создавая иллюзию более низких температур. Когда модели скорректировали с учетом этого эффекта, они стали гораздо лучше соответствовать реальным данным.

В результате астрономы впервые с высокой достоверностью подтвердили, что атмосферные условия на противоположных переходных границах ультрагорячей планеты-гиганта принципиально различаются. Вечерний терминатор WASP-121 b оказывается значительно горячее, чем утренний, причем эта разница связана как с температурными эффектами, так и с реальными химическими изменениями, в частности, с распадом молекул воды. Однако данные также указывают на то, что существующие теоретические модели недооценивают сложность процессов, происходящих в таких экстремальных мирах.

Открытие не только подтвердило старые теоретические предсказания, но и поставило новые вопросы, ответить на которые предстоит в будущих исследованиях с помощью более совершенных моделей, учитывающих облачные структуры. Аналогичные наблюдения планируется провести для целой выборки ультрагорячих газовых планет, чтобы понять, насколько распространены такие асимметрии и какие закономерности связывают эти экзотические миры.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях