Залізні дощі та жорстокі шторми: як астрономи вперше спостерігали погоду на екзопланеті

На екзопланеті WASP-121b вирують шторми, виникають і руйнуються величезні вихори, йдуть дощі з розпеченого заліза. Вчені зробили майже неможливе, витягнувши зі спостережень “Габбла” відзвуки цих бурхливих явищ.

Атмосфера гарячої планети WASP-121b вирує гігантськими вихорами. Розпечені маси газу, стикаючись із більш холодними, формують масштабні атмосферні фронти. Із хмар залізної пари випадають металеві дощі. Хотілося б продовжити: “…саме це астрономи вперше побачили в телескоп”. Але все набагато складніше.

Так, учені отримали ці відомості за допомогою прославленого “Габбла”. Так, це спостереження – перше у своєму роді, не тільки для WASP-121b, а й для екзопланет загалом. Але ні, астрономи нічого не бачили на власні очі. Захоплююча картина позаземної погоди народилася з копіткої обробки даних і складного комп’ютерного моделювання. Розповімо по порядку, що і як з’ясували дослідники.

Стихія непостійності

Атмосферу Землі не назвеш спокійною. Чого варті тропічні циклони, вони ж урагани і тайфуни. Вони зносять будівлі і мости, ламають дерева і заливають водою прибережні міста. Тим часом знімки Юпітера і Сатурна показують вихори, порівняно з якими тисячокілометрові земні циклони й антициклони здаються іграшками.

Чи є атмосферні збурення на екзопланетах, тобто планетах поза Сонячною системою? Напевно, є. Закони фізики однакові у всьому Всесвіті. Нерівномірно нагрітий газ неминуче приходить у рух. А ось у який саме рух – залежить від багатьох деталей. Навіть у Сонячній системі атмосферні явища дуже різноманітні.

Скажімо, на північному полюсі Сатурна влаштувався дивний шестикутний вихор, вперше помічений ще 1981 року. Атмосфера Венери поводиться ще незвичніше, обертаючись навколо осі планети в 60 разів швидше за поверхню. Результат цього обертання – висотні вітри зі швидкістю до 250 кілометрів на годину.

Полярний вихор Сатурна, знятий апаратом “Кассіні” / © NASA/JPL-Caltech/SS

Своя атмосфера

Екзопланета WASP-121b майже вдвічі більша за Юпітер за діаметром. Вона в 40 разів ближча до свого сонця, ніж Земля – до свого. Повний оберт навколо зірки, тобто місцевий рік, триває всього 31 годину. Через таку близькість приливні сили вирівняли місцеву добу з роком. Інакше кажучи, екзопланета WASP-121b завжди повернута до світила одним боком, як Місяць – до Землі.

В одній півкулі панує вічна ніч, в іншій же – вічний день. Температура в найгарячішому місці сягає 1900 градусів Цельсія. Це на сотні градусів вище за точку плавлення заліза.

Елементарна фізика підказує, що в такому світі атмосфера дуже бурхлива. Ревучі вітри мають переносити тепло з денної півкулі в нічну. У Сонячній системі немає нічого подібного.

Загалом, поглянути на газову оболонку WASP-121b було б цікаво. Шкода, що для цього немає технічної можливості. Тобто майже немає. Автори недавнього препринта зробили майже неможливе, зафіксувавши бурхливі атмосферні процеси за 880 світлових років від Землі.

Зазирнути під полог

Почнемо з того, що типову екзопланету просто не видно в телескоп. Відстань від планети до батьківської зірки мізерна порівняно з дистанцією від зірки до спостерігача. Тому під час погляду із Землі планета майже завжди зливається зі своїм сонцем. Шанс на портрет (і то в інфрачервоних променях) мають лише світи, вельми далекі від своїх зірок. WASP-121b, мало не впритул притиснута до світила, ніяк не підходить під цей опис.

Як же вчені спостерігали планету, якої не видно? Так само, як її і відкрили ще 2015 року: методом транзитів. До слова, саме цей метод подарував нам близько 70% більш ніж із 5500 відомих екзопланет.

Слово “транзит” означає прохід екзопланети між світилом і спостерігачем. Ми, звісно, не бачимо ні диска зірки (для нас зірка – точка, що світиться), ні тим більше темного силуету планети на його тлі. Зате ми бачимо, що світило злегка тьмяніє, коли планета затьмарює собою частину її променів. Транзити повторюються на кожному оберті планети навколо зірки. Регулярні падіння яскравості й сигналізують, що виявлено екзопланету.

Солідні розміри WASP-121b, спокійна вдача зірки і чудова чутливість “Габбла” дають змогу побачити щось більше, ніж транзити. Планета регулярно заходить за зірку, опиняючись позаду неї. Таке розташування називається вторинним затемненням. У цей момент до променів зірки не додається світло, відбите від планети. Тож спостережувана яскравість теж падає, хоч і слабкіше, ніж під час транзиту.

З відбитим від планети світлом пов’язаний ще один ефект. До своєї-то зірки планета WASP-121b завжди повернута однією стороною, а ось до нашого телескопа – різними. У момент транзиту до нас повернута неосвітлена сторона. Під час вторинного затемнення ми бачили б освітлену півкулю, але вона прихована за зіркою. У всіх інших конфігураціях ми спостерігаємо частину освітленої і частину неосвітленої півкулі.

Планета змінює фази, як Місяць у земному небі. У зв’язку з цим до променів зірки додається різна частина відбитого планетою світла. Тож і в проміжках між транзитами і вторинними затемненнями блиск зірки плавно змінюється. Чутливий “Хаббл” бачить цю різницю (звісно, після обробки даних).

Яскравість зірки WASP-121 залежно від часу за спостереженнями “Хаббла”. Центральний глибокий мінімум – транзит планети WASP-121b, бічні неглибокі – вторинні затемнення / © Q. Changeat et al., arXiv:2401.01465

Астрономи використовували загалом 90 годин спостережень, виконаних у 2016, 2018 і 2019 роках. У кадр потрапили три транзити, п’ять вторинних затемнень і проміжні положення. У всіх цих випадках “Габбл” не тільки вимірював блиск зірки, а й зчитував інфрачервоний спектр.

Спектр може розповісти про температуру планети, склад її атмосфери і кількість хмар. Усі дані були отримані одним і тим самим телескопом, тому їх легко порівнювати між собою. Автори стверджують, що WASP-121b стала першою планетою, про яку зібрали таку інформацію.

Погода в пеклі
Отже, що виявили дослідники? Перш за все, найгарячіша частина атмосфери розташовувалася не прямо під місцевим сонцем. Вона була трохи зміщена на схід через обертання планети. Це був очікуваний результат.

Дивним виявилося те, що ця область змінювала положення і форму. Вчені порівняли кілька “температурних карт” планети, зроблених в один і той самий час місцевої доби – а значить, і місцевого року. І виявили виразні відмінності.

Температурні карти планети WASP-121b у різні дні (результат моделювання) / © Q. Changeat et al., arXiv:2401.01465

Уявіть, що вам збуджено повідомляють: “Уявляєте, 5 січня 2024 року в Москві було холодніше, ніж 5 січня 2023-го!” Найімовірніше, ви знизаєте плечима і відповісте, що в ці дні була різна погода. Та сама думка виникла в астрономів.

Свою здогадку вчені підкріпили комп’ютерним моделюванням. Тонкі та складні розрахунки відтворили портрет атмосфери, що пояснює всі спостереження.

Картина вийшла захоплива. У потужних потоках газу зароджувалися і знищувалися величезні вихори, схожі на земні циклони. У їхніх зіткненнях формувалися вражаючі атмосферні фронти. На нічному боці випадали дощі із заліза, що випарувалося в денній півкулі.

У цій моделі погода на WASP-121b змінювалася не хаотично, а циклічно. Один цикл займав приблизно п’ять місцевих діб, або, що те ж саме, п’ять місцевих років.

Зрозуміло, ці результати не істина в останній інстанції. Зрештою, у вчених було лише 90 годин спостережень. За загальною тривалістю це всього три місцеві доби. До того ж чотири відрізки даних дуже вже далеко відстоять один від одного. Перші спостереження зробили в червні 2016 року, останні – в лютому 2019-го. Чи жарт: за рахунком WASP-121b між ними минуло понад 750 років. За такий термін і клімат може змінитися, не те що погода.

Та й комп’ютерні моделі – підступна штука. Занадто багато в них залежить від уявлень модельєра про те, які чинники слід враховувати, а які – ні.

Що автори довели твердо, так це те, що температура на WASP-121b не відтворюється щодоби з точністю швейцарського годинника. Це автоматично означає, що погода на планеті мінлива. Що і слід було підозрювати, але одна справа підозрювати, інша – переконатися. А ось висновки про вихори, атмосферні фронти і п’ятиденні цикли вимагають перевірки. Для цього потрібні нові спостереження “Хаббла” або, скажімо, “Вебба”, бажано тривалі.

Спостережний час телескопів екстра-класу завжди нарозхват. Але для такої привабливої мети він рано чи пізно знайдеться. І тоді ми дізнаємося більше про вдачу гарячої штучки WASP-121b.