Исследование круговорота воды на экзопланете: WASP-121 b
Используя данные Хаббла, группа исследователей изучила свойства атмосферы горячей юпитерианской экзопланеты WASP-121b. Ее дневная сторона, обращенная к звезде, а ночная сторона, похоже, взаимодействуют в круговороте воды, который полностью отличается от того, который известен здесь, на Земле.
Одним из самых простых классов экзопланет, которые легче всего обнаружить, и поэтому они чаще всего наблюдаются, являются горячие юпитерианские экзопланеты. Эти газообразные планеты, похожие на Юпитер, расположены очень близко к своей звезде-хозяину, что делает их горячими от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов Цельсия. Недавно с помощью космического телескопа "Хаббл" международная группа ученых под руководством Томаса Микал-Эванса из Института астрономии Макса Планка изучила свойства атмосферы горячего юпитера WASP-121 b. Экзопланета была открыта в 2015 году в созвездии Корма, в 855 световых годах от Земли. Ее масса примерно на 20% больше, чем у Юпитера, а диаметр почти в два раза больше.
В ходе наблюдений исследователи провели первое детальное измерение ночных атмосферных условий этого горячего Юпитера. Как и у всех горячих юпитеров, вращение WASP-121b ограничено его орбитой вокруг своей звезды. Для 30-часовой орбиты требуется столько же времени, сколько требуется планете для одного оборота вокруг своей оси. Следовательно, полушарие, направленное в сторону звезды, будет очень горячим. Другая сторона постоянно ориентирована на холодное и темное пространство и поэтому всегда холодна.
Включая измерения с дневного полушария, ученые определили, как вода меняет свое физическое состояние при перемещении между полушариями экзопланеты WASP-121b. В то время как металлы и минералы, присутствующие в воздухе, испаряются на жаркой дневной стороне, на более прохладной ночной стороне есть области, богатые металлами, и дождь из жидких драгоценных камней.
"Несмотря на открытие тысяч экзопланет, мы смогли изучить атмосферы лишь небольшой их части из-за сложного характера наблюдений", — отмечает Микал-Эванс. "До сих пор большинство этих измерений давали ограниченную информацию. Например, основные сведения о химическом составе или средней температуре в определенных субрегионах атмосферы".
В отличие от этого, новые данные "Хаббла" позволили исследователям получить наиболее подробное на сегодняшний день представление об условиях в ночном полушарии экзопланеты. Объединив данные из дневного и ночного полушарий, анализ позволил получить первое детальное представление о том, как атмосфера экзопланеты функционирует как глобальная система.
Для этого команда использовала "Хаббл" для сбора электромагнитных спектров во время двух полных оборотов планеты. То есть, в течение двух полных орбит экзопланеты вокруг своей звезды. Это позволило прозондировать верхние слои атмосферы WASP-121b через всю планету.
Экзотический круговорот воды
Используя данные "Хаббла", ученые реконструировали весь цикл перехода воды из одного физического состояния в другое на WASP-121b. По-видимому, он полностью отличается от круговорота воды на Земле. В частности:
- В полушарии, обращенном к звезде, верхние слои атмосферы достигают температуры около 3000 градусов.
- В ночном полушарии температура опускается примерно до 1500 градусов Цельсия.
При температуре 3000 градусов многие молекулы воды распадаются на составляющие их атомы (водород и кислород). Сильная разница температур по сравнению с ночным полушарием порождает сильные ветры, которые переносят разрушенные молекулы воды с одной стороны на другую. С другой стороны, низкие температуры в ночном полушарии позволяют атомам водорода и кислорода рекомбинировать. Они образуют облака водяного пара, которые поднимаются и выталкиваются в дневное полушарие. И цикл повторяется.
Металлические облака и дождь из жидких драгоценных камней
В течение всего цикла температура никогда не опускается достаточно низко для образования водяных облаков. Вместо воды облака на WASP-121b состоят в основном из металлов, таких как железо, магний, хром и ванадий.
Предыдущие наблюдения выявили признаки этих металлов в газообразном состоянии в дневной полусфере в электромагнитных спектрах. Данные Хаббла показывают, что температура падает достаточно для того, чтобы металлы конденсировались в паровые облака в ночном полушарии. Те же самые ветры, которые несут водяной пар, также будут сдувать эти металлические облака в сторону дневной стороны экзопланеты. Здесь они снова испаряются.
Алюминий и титан не входят в число газов, обнаруженных в атмосфере WASP-121b. Возможно, они сконденсировались и выпали дождем в более глубоких слоях атмосферы, куда не доходят наблюдения. Такой дождь не будет похож ни на один из известных в Солнечной системе. Например, алюминий конденсируется с кислородом, образуя соединение корунд. С примесями хрома, железа, титана или ванадия он известен нам как рубин или сапфир. Таким образом, на ночное полушарие WASP-121b могут выпадать жидкие драгоценные камни.
Что Уэбб расскажет нам о WASP-121b и других экзопланетах
"Очень интересно изучать такие планеты, как WASP-121b, которые сильно отличаются от тех, что находятся в нашей Солнечной системе", — говорит соавтор Джоанна Барстоу из Открытого университета Милтон-Кейнса. Микал-Эванс добавляет: "Они позволяют нам увидеть, как атмосфера ведет себя в экстремальных условиях".
Чтобы лучше понять характеристики WASP-121b, исследователи будут наблюдать за экзопланетой с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба в течение первого года его работы. Данные будут включать наблюдения на длинах волн, выходящих за пределы диапазона, разрешенного "Хабблом". Это, например, позволит команде определить количество углерода в атмосфере. Углерод может дать ключ к разгадке того, как и где WASP-121 b сформировался в протопланетном диске. Измерения будут достаточно точными, чтобы также узнать скорость ветра на разных высотах в атмосфере.