Железные дожди и жестокие штормы: как астрономы впервые наблюдали погоду на экзопланете

Атмосфера горячей планеты WASP-121b бурлит гигантскими вихрями. Раскаленные массы газа, сталкиваясь с более холодными, формируют масштабные атмосферные фронты. Из облаков железного пара выпадают металлические дожди. Хотелось бы продолжить: «…именно это астрономы впервые увидели в телескоп». Но все гораздо сложнее.

Да, ученые получили эти сведения с помощью прославленного «Хаббла». Да, это наблюдение — первое в своем роде, не только для WASP-121b, но и для экзопланет в целом. Но нет, астрономы ничего не видели своими глазами. Захватывающая картина внеземной погоды родилась из кропотливой обработки данных и сложного компьютерного моделирования. Расскажем по порядку, что и как выяснили исследователи.

Стихия непостоянства

Атмосферу Земли не назовешь спокойной. Чего стоят тропические циклоны, они же ураганы и тайфуны. Они сносят здания и мосты, ломают деревья и заливают водой прибрежные города. Между тем снимки Юпитера и Сатурна показывают вихри, по сравнению с которыми тысячекилометровые земные циклоны и антициклоны кажутся игрушками.

Есть ли атмосферные возмущения на экзопланетах, то есть планетах вне Солнечной системы? Наверняка есть. Законы физики одинаковы во всей Вселенной. Неравномерно нагреваемый газ неизбежно приходит в движение. А вот в какое именно движение — зависит от многих деталей. Даже в Солнечной системе атмосферные явления очень разнообразны.

Скажем, на северном полюсе Сатурна обосновался странный шестиугольный вихрь, впервые замеченный еще в 1981 году. Атмосфера Венеры ведет себя еще необычнее, вращаясь вокруг оси планеты в 60 раз быстрее поверхности. Результат этого вращения — высотные ветры со скоростью до 250 километров в час.

Полярный вихрь Сатурна, снятый аппаратом «Кассини» / © NASA/JPL-Caltech/SSI

Своя атмосфера

Экзопланета WASP-121b почти вдвое больше Юпитера по диаметру. Она в 40 раз ближе к своему солнцу, чем Земля — к своему. Полный оборот вокруг звезды, то есть местный год, длится всего 31 час. Из-за такой близости приливные силы выравняли местные сутки с годом. Иначе говоря, экзопланета WASP-121b всегда повернута к светилу одной стороной, как Луна — к Земле.

В одном полушарии царит вечная ночь, в другом же — вечный день. Температура в самом горячем месте достигает 1900 градусов Цельсия. Это на сотни градусов выше точки плавления железа.

Элементарная физика подсказывает, что в таком мире атмосфера очень бурная. Ревущие ветры должны переносить тепло из дневного полушария в ночное. В Солнечной системе нет ничего подобного.

В общем, взглянуть на газовую оболочку WASP-121b было бы интересно. Жаль, что для этого нет технической возможности. То есть почти нет. Авторы недавнего препринта сделали почти невозможное, зафиксировав бурные атмосферные процессы в 880 световых годах от Земли.

Заглянуть под полог

Начнем с того, что типичную экзопланету просто не видно в телескоп. Расстояние от планеты до родительской звезды ничтожно по сравнению с дистанцией от звезды до наблюдателя. Поэтому при взгляде с Земли планета почти всегда сливается со своим солнцем. Шанс на портрет (и то в инфракрасных лучах) имеют лишь миры, весьма далекие от своих звезд. WASP-121b, чуть ли не вплотную прижатая к светилу, никак не подходит под это описание.

Как же ученые наблюдали планету, которой не видно? Так же, как ее и открыли еще в 2015 году: методом транзитов. К слову, именно этот метод подарил нам около 70% более чем из 5500 известных экзопланет.

Слово «транзит» означает проход экзопланеты между светилом и наблюдателем. Мы, конечно, не видим ни диска звезды (для нас звезда — светящаяся точка), ни тем более темного силуэта планеты на его фоне. Зато мы видим, что светило слегка тускнеет, когда планета затмевает собой часть ее лучей. Транзиты повторяются на каждом обороте планеты вокруг звезды. Регулярные падения яркости и сигнализируют, что обнаружена экзопланета.

Солидные размеры WASP-121b, спокойный нрав звезды и прекрасная чувствительность «Хаббла» позволяют увидеть нечто большее, чем транзиты. Планета регулярно заходит за звезду, оказываясь позади нее. Такое расположение называется вторичным затмением. В этот момент к лучам звезды не добавляется свет, отраженный от планеты. Так что наблюдаемая яркость тоже падает, хоть и слабее, чем при транзите.

С отраженным от планеты светом связан еще один эффект. К своей-то звезде планета WASP-121b всегда обращена одной стороной, а вот к нашему телескопу — разными. В момент транзита к нам повернута неосвещенная сторона. Во время вторичного затмения мы видели бы освещенное полушарие, но оно скрыто за звездой. Во всех остальных конфигурациях мы наблюдаем часть освещенного и часть неосвещенного полушария.

Планета меняет фазы, как Луна в земном небе. В связи с этим к лучам звезды прибавляется разная часть отраженного планетой света. Так что и в промежутках между транзитами и вторичными затмениями блеск звезды плавно меняется. Чувствительный «Хаббл» видит эту разницу (конечно, после обработки данных).

Яркость звезды WASP-121 в зависимости от времени по наблюдениям «Хаббла». Центральный глубокий минимум – транзит планеты WASP-121b, боковые неглубокие – вторичные затмения / © Q. Changeat et al., arXiv:2401.01465

Астрономы использовали в общей сложности 90 часов наблюдений, выполненных в 2016, 2018 и 2019 годах. В кадр попали три транзита, пять вторичных затмений и промежуточные положения.  Во всех этих случаях «Хаббл» не только измерял блеск звезды, но и считывал инфракрасный спектр.

Спектр может рассказать о температуре планеты, составе ее атмосферы и количестве облаков. Все данные были получены одним и тем же телескопом, поэтому их легко сравнивать между собой. Авторы утверждают, что WASP-121b стала первой планетой, о которой собрали такую информацию.

Погода в аду

Итак, что обнаружили исследователи? Прежде всего, самая горячая часть атмосферы располагалась не прямо под местным солнцем. Она была немного смещена к востоку из-за вращения планеты. Это был ожидаемый результат.

Удивительным оказалось то, что эта область меняла положение и форму. Ученые сравнили несколько «температурных карт» планеты, сделанных в одно и то же время местных суток — а значит, и местного года. И выявили отчетливые различия.

Температурные карты планеты WASP-121b в разные дни (результат моделирования) / © Q. Changeat et al., arXiv:2401.01465

Вообразите, что вам возбужденно сообщают: «Представляете, 5 января 2024 года в Москве было холоднее, чем 5 января 2023-го!» Скорее всего, вы пожмете плечами и ответите, что в эти дни была разная погода. Та же мысль возникла у астрономов.

Свою догадку ученые подкрепили компьютерным моделированием. Тонкие и сложные расчеты воспроизвели портрет атмосферы, объясняющий все наблюдения.

Картина вышла захватывающая. В мощных потоках газа зарождались и уничтожались огромные вихри, похожие на земные циклоны. В их столкновениях формировались впечатляющие атмосферные фронты. На ночной стороне выпадали дожди из железа, испарившегося в дневном полушарии.

В этой модели погода на WASP-121b менялась не хаотично, а циклически. Один цикл занимал примерно пять местных суток, или, что то же самое, пять местных лет.

Разумеется, эти результаты не истина в последней инстанции. В конце концов, у ученых было только 90 часов наблюдений. По общей продолжительности это всего трое местных суток. К тому же четыре отрезка данных очень уж далеко отстоят друг от друга. Первые наблюдения сделали в июне 2016 года, последние — в феврале 2019-го. Шутка ли: по счету WASP-121b между ними прошло более 750 лет. За такой срок и климат может измениться, не то что погода.

Да и компьютерные модели — коварная штука. Слишком многое в них зависит от представлений модельера о том, какие факторы следует учитывать, а какие — нет.

Что авторы доказали твердо, так это что температура на WASP-121b не воспроизводится каждые сутки с точностью швейцарских часов. Это автоматически означает, что погода на планете переменчива. Что и следовало подозревать, но одно дело подозревать, другое — убедиться. А вот выводы о вихрях, атмосферных фронтах и пятидневных циклах требуют проверки. Для этого нужны новые наблюдения «Хаббла» или, скажем, «Уэбба», желательно продолжительные.

Наблюдательное время телескопов экстра-класса всегда нарасхват. Но для такой заманчивой цели оно рано или поздно найдется. И тогда мы узнаем больше о нраве горячей штучки WASP-121b.

Источник: https://naked-science.ru/article/astronomy/pogoda-na-ekzoplanete