Планета WASP-121b — особенная. Это газовый гигант почти в два раза больше Юпитера, который вращается очень близко к материнской звезде — в 50 раз ближе, чем Земля к Солнцу. Приливные силы удерживают вращение в «резонансе»: планета всегда обращена к своей звезде одной стороной, как Луна к Земле. В результате одна половина WASP-121b постоянно освещена, а на другой царит вечная ночь. Из-за этого разница температур на планете огромна. На одной стороне температура может превышать 3000°C, а на другой опускаться до 1500°C. Морозов из-за тесного соседства со звездой там не бывает.
Температурный контраст служит источником мощнейших ветров, дующих со скоростью до 20 километров в секунду. Они стремятся перераспределить энергию раскаленного дня в сторону более «прохладной» ночи. До сих пор ученым приходилось догадываться о силе и направлении ветров по косвенным данным. В последние годы, с появлением новых инструментов на гигантских телескопах, астрономы смогли напрямую измерить скорость ветра на некоторых экзопланетах, в том числе на WASP-121b.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, астроном Джулия Зайдель и ее коллеги не только рассчитали скорость ветра на экзопланете, но и определили, как эти ветры меняются в зависимости от высоты над условной поверхностью небесного тела (у газовых гигантов нет четкого разграничения атмосферы и планетной «тверди»). Ученые установили, что ветры в нижних слоях атмосферы сильно отличаются от ветров на больших высотах.
Измерения показывают, как ведет себя ключевая центральная зона атмосферы, которая служит связующим звеном между глубинными слоями, обычно доступными для исследования с помощью таких телескопов, как космический «Джеймс Уэбб», и верхними слоями, где газ сильно разрежен и улетучивается под воздействием жара и потока заряженных частиц, идущих от звезды.
Как изучают планеты, расположенные на расстоянии в 1300 световых лет от нас
Для проведения измерений ученые использовали один из самых точных спектрографов на Земле, установленный на самом большом из доступных для международных исследований телескопов ESPRESSO. Он входит в комплекс «Очень большой телескоп» (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории (ESO VLT), расположенный в пустыне Атакама в Чили. Чтобы получить как можно более точную информацию, ученые объединили «картинки», получаемые с четырех 8-метровых апертур VLT.
Сверхточный спектрограф ESPRESSO разделил световой спектр планеты на 1,3 миллиона отрезков длин волн. Это позволяет наблюдать такое же количество цветов в видимом спектре. Такая точность необходима для достоверной дифференциации атомов в атмосфере планеты. Астрономы выяснили, что в наибольшей степени поглощают свет звезды атомы водорода, натрия и железа (металлы находятся в газообразном состоянии из-за очень высоких температур).
Ювелирно измерив положение этих спектральных линий, ученые смогли напрямую определить скорость движения атомов. Эффект Доплера говорит о том, что приближающийся к нам атом будет поглощать больше синего света, а удаляющийся от нас — больше красного. Измерив длину волны поглощения каждого из них, исследователи получили данные скорости ветра на планете.
Железо там перемещается со скоростью около 5 км/с от горячей области планеты, ближайшей к звезде, к наиболее удаленной «холодной» области на темной стороне. Натрий ведет себя двояко: некоторые атомы движутся как железо, а другие устремляются по экватору с востока на запад в четыре раза быстрее железа, с ошеломляющей скоростью 20 км/с. Легкий по сравнению с металлами водород путешествует вместе с потоком натрия в том же направлении, но также и устремляется вертикально вверх, активно покидая планету.
Ученые пришли к выводу, что эти три разных элемента сконцентрированы в разных частях атмосферы. В то время как атомы железа находятся в более глубоких слоях, где происходит симметричная циркуляция, натрий и водород обитают в более высоких слоях, где атмосфера планеты продувается ветром, идущим от звезды. Этот звездный ветер в сочетании с вращением планеты, вероятно, переносит вещество асимметрично и гораздо быстрее, с преобладающим направлением, определяемым 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 Мэйором и Дидье Кело (за что они позже получили Нобелевскую премию по физике) шокировало ученый мир в 1995 году. Предыдущие исследования полагали, что гигантские планеты не могут формироваться так близко к родительской звезде. Наблюдение Мэйора и Кело заставило осознать, что планеты не обязательно формируются там, где они находятся в данный момент. В юности они могут мигрировать, притягиваясь к горячей звезде-хозяйке с вероятным коллапсом планетарного масштаба.
На каком расстоянии от звезды формируются «горячие юпитеры»? На какие расстояния эти объекты мигрируют в своем младенчестве? Почему Юпитер в нашей Солнечной системе не мигрировал к Солнцу? Нам повезло, что он этого не сделал, потому что в этом случае Земля и другие соседние планеты скорее всего последовали бы за ним.
Колебания температуры или химического состава в каждой атмосфере могут радикально исказить результаты измерений, которые ученые проводят с помощью больших телескопов. Для достоверных выводов ученым сначала нужно понять состав атмосферы и царящие в ней порядки. Для этого нужно исследовать фундаментальные механизмы, управляющие атмосферой планет. В Солнечной системе скорость ветра можно измерить напрямую, наблюдая за тем, как быстро движутся облака. На экзопланетах напрямую наблюдать за какими-либо деталями пока не получается.
«Горячие юпитеры» вращаются так близко от своих звезд, что невозможно разделить их в пространстве и сделать отдельные снимки экзопланет. Из тысяч уже открытых объектов приходится выбирать те, которые периодически оказываются между родительской звездой и земным наблюдателем. Во время этого «транзита» свет от звезды фильтруется атмосферой планеты, что позволяет измерить параметры поглощения света атомами простых веществ или молекулами соединений. Поскольку условия на границе атмосферы могут сильно различаться, интерпретация итогового усредненного значения часто вызывает затруднения.
Используя «Очень большой телескоп» и объединив его данные с показаниями сверхточного спектрографа, ученые смогли отделить сигнал, поглощаемый восточной стороной планеты, от сигнала, поглощаемого западной стороной. Это позволило измерить пространственные характеристики ветров на планете WASP 121b.
Перспективы изучения атмосферы экзопланет
В Европе строится следующее поколение телескопов во главе с «Невероятно большим телескопом» (Extremely Large Telescope, ELT), запуск которого запланирован на 2030 год. У ELT будет зеркало диаметром 30 метров, что почти в два раза больше, чем у VLT.
Этот гигантский исследовательский инструмент позволит получить еще более точные данные об атмосферах экзопланет. В частности, он будет измерять скорость ветра на экзопланетах, которые меньше по размерам и холоднее «горячих юпитеров».
Но чего ученые действительно с нетерпением ждут, так это возможности ELT измерять состав атмосферы силикатных планет земного типа, вращающихся в обитаемых зонах материнских звезд, где вода может находиться в жидком состоянии, обеспечивая зарождение и развитие органической жизни.
О том, как в буквальном смысле испаряются планеты, оказавшиеся недопустимо близко со звездой-хозяйкой, читайте в материале на нашем портале.
