В атмосфере KELT-9b обнаружили 29 атомных и ионизованных компонентов и измерили ветер

Астрономы провели одну из наиболее подробных переписей атомов и ионов в атмосфере сверхгорячего Юпитера KELT-9b. Объединив наблюдения 13 прохождений планеты перед своей звездой, исследователи уверенно обнаружили 29 атомных и ионизованных видов и одновременно измерили общее смещение их спектральных линий. Оно указывает на мощный поток вещества с дневной стороны планеты на ночную со скоростью около 8 километров в секунду.

KELT-9b относится к сверхгорячим Юпитерам — газовым гигантам, расположенным настолько близко к своим звёздам, что температура их атмосфер становится достаточной для разрушения многих молекул и ионизации атомов. Именно поэтому такие миры представляют собой своеобразные естественные лаборатории для изучения химии вещества в экстремальных условиях.

Чтобы подробно исследовать атмосферу KELT-9b, международная группа астрономов объединила данные 13 транзитов, полученные шестью спектрографами высокого разрешения. Наблюдения охватывают диапазон длин волн от 316 до 960 нанометров, от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона.

Во время транзита небольшая часть света звезды проходит через атмосферу планеты. На определённых длинах волн атомы и ионы поглощают часть излучения, оставляя в спектре характерные линии. Однако отдельные сигналы чрезвычайно слабы, поэтому исследователи применили метод кросс-корреляции, позволяющий искать совокупность множества спектральных линий одного вещества.

В результате удалось восстановить все ранее зарегистрированные в атмосфере KELT-9b компоненты, кроме ионизованного тербия Tb II. В общей сложности исследователи обнаружили 29 атомных и ионизованных видов. Среди них присутствуют нейтральный углерод C I, кремний Si I, калий K I и кобальт Co I, а также ионизованные ванадий V II, цирконий Zr II, лантан La II, празеодим Pr II и неодим Nd II.

Все 29 сигналов превысили принятый в работе порог статистической значимости 5σ. Авторы отдельно разработали метод оценки неопределённостей, чтобы уменьшить влияние корреляций, возникающих при анализе спектров методом кросс-корреляции. Это позволило не только составить перечень обнаруженных компонентов, но и точнее определить их скорости.

Именно измерение скоростей дало один из наиболее интересных результатов. В среднем спектральные сигналы оказались смещены на −8,02 ± 0,17 километра в секунду относительно системы отсчёта звезды. Отрицательное значение означает смещение линий в синюю сторону. Исследователи интерпретируют его как свидетельство глобального атмосферного потока, направленного с дневной стороны KELT-9b на ночную.

Такое движение вещества связано с экстремальным контрастом температур. KELT-9b постоянно обращена к своей звезде одной стороной, поэтому её дневное полушарие получает огромное количество энергии. Нагретый газ стремится перемещаться в более холодные области, создавая мощную атмосферную циркуляцию.

Интересно, что после приведения данных по различным атомам и ионам к единой системе авторы не обнаружили явного изменения общего доплеровского сдвига во времени. Это указывает на сравнительно устойчивую глобальную картину движения атмосферы во время исследованных транзитов, хотя отдельные химические компоненты могут формироваться на разных высотах и в разных условиях.

Работа также показывает, насколько информативными становятся наземные спектрографы высокого разрешения при объединении большого числа наблюдений. Вместо простого ответа на вопрос о наличии конкретного элемента астрономы постепенно получают возможность исследовать динамику атмосферы: измерять движение вещества и сравнивать скорости разных атомов и ионов.

Следующим этапом станет более подробное изучение индивидуальных доплеровских профилей обнаруженных компонентов. Авторы отмечают, что полученный каталог и измеренные скорости предназначены в том числе для сопутствующего исследования атмосферы KELT-9b. Сравнение поведения различных элементов может помочь восстановить трёхмерную структуру ветров и определить, как химические вещества распределяются между дневной и ночной сторонами одного из самых экстремальных известных газовых гигантов.

Исследование принято к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.