На экзопланете WASP-121b наблюдаются мощные штормы, формируются и исчезают гигантские вихри, выпадают осадки из расплавленного железа. Специалистам удалось извлечь из данных, полученных телескопом «Хаббл», информацию о характерах этих бурных процессов.
На экзопланете WASP-121b бушуют огромные вихри, создающие неповторимую атмосферу. Встречаясь с более прохладными слоями, раскаленные газовые потоки формируют обширные атмосферные границы. Металлические осадки выпадают из облаков, состоящих из железного пара. Астрономы впервые зафиксировали это явление с помощью телескопа, однако реальность оказывается куда более сложной.
Безусловно, эти данные были получены благодаря знаменитому телескопу «Хаббл». Да, это наблюдение является уникальным не только для WASP-121b, но и для всех известных экзопланет. Однако, астрономы не проводили визуальное наблюдение. Впечатляющая картина погоды на другой планете возникла в результате тщательной обработки данных и сложного компьютерного моделирования. Сейчас мы расскажем последовательно, какие выводы сделали ученые.
Стихия непостоянства
Климат на Земле характеризуется высокой динамикой. Ярким тому подтверждением являются тропические циклоны, известные также как ураганы и тайфуны. Эти явления разрушают постройки и инженерные сооружения, валят деревья и приводят к затоплению прибрежных населённых пунктов. В то же время, изображения Юпитера и Сатурна демонстрируют масштабные вихри, по сравнению с которыми даже крупные земные циклоны и антициклоны выглядят незначительными.
Существуют ли атмосферные возмущения на экзопланетах, то есть на планетах за пределами нашей Солнечной системы? Вероятно, да. Законы физики универсальны и действуют во всей Вселенной. Неравномерный нагрев газа закономерно вызывает его движение. Характер этого движения определяется множеством факторов. Даже в пределах Солнечной системы наблюдается большое разнообразие атмосферных явлений.
На северном полюсе Сатурна существует необычный шестиугольный вихрь, который был впервые обнаружен в 1981 году. Атмосфера Венеры демонстрирует еще более причудливое поведение, поскольку она вращается вокруг оси планеты в 60 раз быстрее, чем поверхность. Это вращение обуславливает возникновение сильных ветров в верхних слоях атмосферы, достигающих скорости до 250 километров в час.
Своя атмосфера
Экзопланета WASP-121b обладает диаметром, почти вдвое превышающим диаметр Юпитера. Она находится на расстоянии, в 40 раз меньшем, чем расстояние от Земли до Солнца. Один полный оборот вокруг звезды, который можно считать местным годом, занимает всего 31 час. Из-за близости к звезде, приливные силы привели к синхронизации продолжительности суток с периодом обращения. Таким образом, экзопланета WASP-121b всегда обращена к своему светилу одной стороной, подобно тому, как Луна обращена к Земле.
В одном полушарии постоянно преобладает темнота, а в другом — свет. В самой жаркой области температура поднимается до 1900 градусов Цельсия, что значительно превышает точку плавления железа.
Простейшие физические принципы указывают на то, что в подобной среде атмосфера была бы крайне нестабильной. Мощные ветры должны были бы транспортировать тепловую энергию из освещенной области в темную. В Солнечной системе не существует аналогов подобного явления.
Изучение газовой атмосферы WASP-121b представляло бы большой интерес. К сожалению, на данный момент это невозможно. Вернее, почти невозможно. Авторы недавнего препринта сделали почти невозможное, зафиксировав бурные атмосферные процессы в 880 световых годах от Земли.
Заглянуть под полог
Обычно экзопланеты неразличимы даже в мощные телескопы. Расстояние от экзопланеты до звезды, вокруг которой она вращается, крайне мало по сравнению с расстоянием от этой звезды до Земли. В результате, с нашей планеты экзопланета практически всегда теряется в свете своей звезды. Лишь те миры, которые находятся на значительном удалении от своих светил, могут быть запечатлены (и то, преимущественно, в инфракрасном диапазоне). WASP-121b, расположенный очень близко к своей звезде, не соответствует этому условию.
Как наблюдали планету, которую невозможно увидеть невооруженным глазом? Подобно тому, как ее и обнаружили в 2015 году, – с помощью метода транзитов. Стоит отметить, что именно этот метод позволил ученым открыть около 70% из более чем 5500 известных экзопланет.
Транзит – это явление, возникающее, когда экзопланета проходит между звездой и наблюдателем. Нам недоступно прямое наблюдение за диском звезды (для нас она выглядит как яркая точка) или темным силуэтом планеты на ее фоне. Вместо этого мы фиксируем небольшое уменьшение яркости звезды, вызванное тем, что планета перекрывает часть излучения. Транзиты происходят при каждом обороте планеты вокруг своей звезды. Повторяющиеся изменения в яркости служат признаком обнаружения экзопланеты.
Значительные габариты экзопланеты WASP-121b, стабильность ее звезды и высокая чувствительность телескопа «Хаббл» открывают возможности для наблюдений, выходящих за рамки простого определения транзитов. Планета периодически проходит за звездой, оказываясь за ней. Это явление именуется вторичным затмением. В этот момент свет звезды не усиливается за счет отражения от поверхности планеты. Соответственно, наблюдаемая яркость также уменьшается, хотя и в меньшей степени, чем во время транзита.
Свет, отраженный от планеты, порождает дополнительный эффект. Планета WASP-121b всегда обращена одной стороной к своей звезде, тогда как в нашем телескопе она предстает с разных сторон. В момент прохождения планеты перед звездой (транзита) к нам повернута ее темная сторона. В период вторичного затмения мы бы увидели освещенную часть планеты, однако она остается скрытой за звездой. В остальных случаях мы можем наблюдать сочетание освещенной и неосвещенной частей планеты.
Планета проходит различные фазы, подобно Луне, видимой с Земли. В результате к свету звезды добавляется переменное количество отраженного от планеты излучения. Поэтому яркость звезды плавно изменяется в периоды между транзитами и вторичными затмениями. Телескоп «Хаббл» способен зафиксировать эту разницу (хотя и после обработки полученных данных).
Для анализа астрономам потребовалось 90 часов наблюдений, проведенных в 2016, 2018 и 2019 годах. На снимках были зафиксированы три транзита, пять вторичных затмений и промежуточные фазы. В каждом из этих случаев телескоп «Хаббл» не только определял яркость звезды, но и фиксировал ее инфракрасный спектр.
По спектральным данным можно определить температуру планеты, состав ее атмосферы и количество облаков. Поскольку все сведения были получены с использованием одного телескопа, их сопоставление является простым. Авторы утверждают, это позволило ученым впервые получить столь подробные сведения о WASP-121b.
Погода в аду
Какие же выводы сделали ученые? В первую очередь, наиболее нагретая область атмосферы находилась не непосредственно над солнечным полюсом. Она была незначительно сдвинута в восточном направлении вследствие вращения планеты. Этот результат соответствовал ожиданиям.
Оказалось, что эта область способна изменять свою позицию и форму. Сравнив несколько «температурных карт» планеты, полученных в одно и то же время суток и года, ученые обнаружили значительные различия.
Услышав радостное сообщение о том, что 5 января 2024 года в Москве температура была ниже, чем 5 января 2023 года, большинство, вероятно, просто пожали бы плечами и отметили, что в эти дни погода отличалась. Подобное соображение возникло и у астрономов.
Предложенную гипотезу ученые подтвердили с помощью компьютерного моделирования. Сложные и детальные расчеты воссоздали картину атмосферы, которая позволила объяснить все имеющиеся наблюдения.
Изображение оказалось впечатляющим. В интенсивных потоках газа возникали и исчезали гигантские водовороты, напоминающие земные циклоны. Их взаимодействия приводили к образованию внушительных атмосферных границ. На обратной стороне планеты шел дождь из железа, которое испарилось в освещенной части.
В данной модели погодные условия на экзопланете WASP-121b изменялись не беспорядочно, а по определенной схеме. Один такой цикл длился около пяти дней по местному времени, что эквивалентно пяти местным годам.
Безусловно, эти данные нельзя считать абсолютной истиной. Ученые располагали лишь 90 часами наблюдений, что составляет всего три местных дня. Кроме того, четыре периода сбора данных значительно удалены друг от друга во времени. Первые измерения были проведены в июне 2016 года, а последние – в феврале 2019-го. Примечательно, что по системе WASP-121b между этими датами прошло более 750 лет. За такой длительный период могли измениться и климатические условия, не говоря уже о погоде.
Компьютерное моделирование — процесс непредсказуемый. Его результаты во многом определяются взглядами разработчика на то, какие переменные необходимо включить, а какие можно игнорировать.
Авторы убедительно продемонстрировали, что температура на экзопланете WASP-121b не стабилизируется ежедневно с высокой точностью. Это свидетельствует о нестабильности погодных условий на планете, что и было ожидаемо, хотя подтверждение и отличается от простого предположения. Однако заключения, касающиеся вихрей, атмосферных фронтов и пятидневных циклов, нуждаются в дополнительной проверке и требуют новых наблюдений с использованием телескопов, таких как «Хаббл» или «Уэбб», причем наблюдений продолжительного характера.
Время, выделяемое для наблюдений с помощью телескопов экстра-класса, всегда пользуется высоким спросом. Однако, для столь привлекательной задачи оно будет найдено. В конечном итоге это позволит нам получить более глубокие сведения о горячем экзопланете WASP-121b.