«Джеймс Уэбб» обнаружил странную асимметрию в атмосфере чужой планеты

Астрономы долго изображали далёкие экзопланеты с гладкими, круглыми очертаниями. Но новые наблюдения показывают, что атмосферы некоторых раскалённых чужих миров могут иметь на удивление неровную форму.

Используя космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб», исследователи обнаружили, что атмосфера WASP-17b — газового гиганта примерно в 1300 световых годах от Земли — простирается дальше наружу с одной стороны, чем с другой. Хотя общий контур остаётся приблизительно круглым, атмосфера заметно асимметрична. Это искажение даёт новые свидетельства того, как экстремальные температуры и мощные ветры меняют форму атмосфер далёких планет.

Открытие, опубликованное в журнале Nature Astronomy, сделано в рамках исследования, которым совместно руководили Корнеллский университет в США и Бристольский университет в Великобритании. Учёные использовали инновационную технику под названием «трансмиссионные струны», разработанную астрофизиками из Бристоля доктором Дэвидом Грантом и доктором Ханной Уэйкфорд, чтобы изучить структуру атмосферы планеты с беспрецедентной детализацией.

Что такое WASP-17b

WASP-17b относится к классу планет, известных как «горячие юпитеры» — огромных газовых гигантов, которые обращаются близко к своей звезде и испытывают интенсивный нагрев. Необычная форма его атмосферы даёт новую перспективу на то, как тепло перемещается вокруг этих экстремальных миров.

Ведущий автор доктор Лилли Олдерсон, постдокторант Корнеллского университета, начала исследование, пока училась в Бристольском университете, где получила докторскую степень по физике.

«Это доказательство концепции того, что планеты на самом деле являются трёхмерными объектами и что последовательно, по мере обращения вокруг звезды, происходит то, что мы предсказывали. Но выйти за пределы вычислительных упражнений и увидеть это в реальности — совсем другое дело».

Что показали наблюдения

Наблюдения дают ценную информацию об атмосферной химии WASP-17b и перепадах температуры, включая различия между экватором и полюсами, а также между постоянно освещённым и тёмным полушариями.

Эти результаты хорошо совпадают с более ранними теоретическими предсказаниями и компьютерными моделями. Вместе они предлагают одну из самых подробных трёхмерных картин атмосферы экзопланеты, когда-либо созданных, устанавливая полезную точку отсчёта для изучения более чем 6000 подтверждённых на сегодня экзопланет.

Соавтор доктор Ханна Уэйкфорд, доцент астрофизики Бристольского университета, сказала: «Планеты капризны, их атмосферы сложны и хаотичны. Тот факт, что все эти числа сошлись и показали нам такую структурированную, динамичную картину этого гигантского мира более чем в тысяче световых лет, был просто очень волнующим».

Новая техника

Чрезвычайная чувствительность «Джеймса Уэбба» уже позволила учёным исследовать чужие атмосферы с помощью метода, называемого картированием затмений. Этот подход изучает тонкие изменения света, когда планета проходит за своей звездой, помогая исследователям определить, как условия различаются по всей планете.

Новая техника «трансмиссионных струн», также называемая транзитным картированием, изучает противоположную часть орбиты планеты. Когда экзопланета проходит перед своей звездой, часть звёздного света путешествует через внешние края её атмосферы, прежде чем достичь телескопа.

Анализируя этот свет под разными углами, учёные могут исследовать состав атмосферы и определить, насколько далеко она простирается в разных местах вокруг планеты. Эта внешняя атмосферная граница известна как лимб.

Традиционные методы обычно объединяют измерения света со всего лимба в единый усреднённый спектр. Новый подход вместо этого разделяет информацию из разных областей, позволяя исследователям выявлять атмосферные вариации, которые иначе остались бы скрытыми.

«Вместо того чтобы предполагать, что ваша атмосфера — это круг с одинаковым радиусом по всей окружности, наша техника позволяет извлечь разные расстояния от центра до края планеты, — сказала доктор Олдерсон. — Мы можем пройти по краю. Так что мы перешли от кольца к пониманию того, где на кольце находятся драгоценные камни, так сказать».

Мощные ветры создают асимметрию

Новые измерения выявили особенно интересную особенность near экватора WASP-17b — именно там, где предсказывали предыдущие модели.

Искажение возникает на «вечерней» стороне планеты, где мощные атмосферные ветры уносят тепло от полушария, постоянно обращённого к звезде, к полушарию, погружённому в темноту.

Это движение горячего газа заставляет атмосферу на вечерней стороне расширяться дальше наружу, чем на более прохладной «утренней» стороне. В результате атмосферный контур планеты не является идеально симметричным.

Результаты подтверждают важное предсказание о разнице температур между этими областями. Измерения транзитного картирования также подтвердили другие ранее выявленные характеристики WASP-17b.

Доктор Олдерсон добавила: «Теория предсказывает, что утренняя и вечерняя стороны должны иметь сильную разницу температур, и WASP-17b очень хорошо вписывается в эту тенденцию — почти точно так, как мы думали».

Что это значит

Успешное применение трансмиссионных струн к WASP-17b демонстрирует, что технику можно использовать для изучения атмосфер других экзопланет.

До недавнего времени большая часть того, что астрономы могли определить об этих далёких атмосферах, происходила из измерений, усреднённых по большим областям. Новый метод предлагает способ различать условия на разных широтах, а также между дневной и ночной сторонами планеты.

В конечном итоге этот подход может помочь учёным исследовать атмосферные структуры в меньших масштабах, приближая их к картированию погодных схем на мирах далеко за пределами нашей Солнечной системы.

Доктор Уэйкфорд сказала: «Иметь эту очень надёжную математическую модель, которую мы можем применить к этим передовым данным, невероятно захватывающе. Результаты — действительно прекрасная демонстрация динамики, которая происходит в этих многомерных и многогранных мирах».