Новый метод обнаружения облаков поможет астрономам охарактеризовать экзопланеты

По состоянию на сегодня зарегистрировано 6291 подтвержденный кандидат на экзопланеты в 4709 планетных системах, при этом еще десятки тысяч объектов ожидают подтверждения. Рост базы наблюдений и совершенствование инструментов и методов смещают фокус исследований от поиска новых планет к их детальному изучению. Основное внимание уделяется спектроскопии атмосфер экзопланет, позволяющей определять химический состав, а также анализу динамики атмосферных процессов и циклов.

Международная группа ученых с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) предложила новый подход к исследованию облачных циклов на удаленных мирах. Метод проверили на WASP-94A b — «горячем Юпитере» в двойной системе примерно в 700 световых годах от Земли в созвездии Микроскопа. Работа стала одной из первых, в которой удалось зафиксировать облачные циклы на горячем Юпитере, а также получить дополнительные сведения о составе и эволюции атмосферы. Подход открывает новые возможности для поиска потенциально обитаемых планет и их изучения.

Руководство исследованием осуществлял Сагник Мукерджи, научный сотрудник программы Pegasi b Postdoctoral Fellowship Школы изучения Земли и космоса (SESE) при Университете штата Аризона. В работе участвовали специалисты Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHUAPL), Института астрономии Макса Планка (MPIA), Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики (CfA), Каталонского института космических исследований (IEEC), Национального института Хоми Бхабха, Института космических телескопов (STScI), обсерватории «Джемини» и ряда университетов. Результаты опубликованы в журнале Science.

Горячие Юпитеры, испытывающие экстремальные температуры и мощное радиационное воздействие, считаются удобными объектами для анализа атмосферной динамики и химии облаков. В ходе наблюдений с телескопом Webb исследователи фиксировали транзит планеты перед звездой. Метод транзитной спектроскопии позволил изучить свет, проходящий через атмосферу. Дополнительно измерялись отдельные участки атмосферы WASP-94A b: передняя кромка во время входа в транзит и задняя — при его завершении.

На переднем крае атмосферы выявлено движение воздушных масс с ночной стороны на дневную, а на заднем — обратная циркуляция. Эти данные указывают на резкие различия погодных условий между утренними и вечерними зонами планеты. Утром атмосфера содержит плотные облака с силикатом магния, тогда как вечером небо оказывается практически чистым. Выделение облачных структур позволило получить одну из наиболее детализированных карт атмосферного состава WASP-94A b.

По словам Дэвида Синга, заслуженного профессора наук о Земле и планетах имени Блумберга в Университете Джонса Хопкинса и руководителя наблюдательной программы, облачность долгое время осложняла исследования: плотные слои создавали эффект «запотевшего окна». При этом известно, что облака широко распространены на горячих Юпитерах, однако теперь появилась возможность не только фиксировать их присутствие, но и определять состав, процессы конденсации и испарения в атмосфере.

Исследователи рассматривают несколько механизмов формирования такой динамики. Один вариант связан с сильными ветрами: облака поднимаются в более холодной части планеты и опускаются в горячих зонах, где разрушаются. Альтернативная гипотеза описывает процесс как аналог мощного «утреннего тумана», который рассеивается под воздействием нагрева, но в условиях экстремально горячей атмосферы.

Во втором сценарии облачные структуры формируются на ночной стороне и исчезают при переходе в дневную зону, где температура превышает 1000 °C (1832 °F). Ключевую роль в исследовании сыграли высокая чувствительность и разрешение телескопа «Уэбб», позволившие изучить заднюю кромку атмосферы с участками ясного неба — ранее подобные данные оставались недоступны для телескопа «Хаббл». Соавтор исследования Гарри Баскетт из Эксетерского университета отметил, что данные JWST дают возможность фиксировать трехмерную структуру атмосферных процессов и сопоставлять наблюдения с моделированием ветров и химии планетных оболочек.

Сочетание наблюдений и трехмерных моделей позволяет детально различать погодные процессы на экзопланетах и уточнять механизмы формирования облаков. Анализ ясной вечерней атмосферы показал, что WASP-94A b ближе по характеристикам к Юпитеру, чем предполагалось ранее. Более ранние оценки указывали на повышенное содержание кислорода и углерода, не объяснимое существующими моделями формирования планет. Новые данные показали превышение этих элементов примерно в пять раз относительно Юпитера, что согласуется с теоретическими расчетами.

На основе этих результатов исследователи изучили еще восемь горячих газовых гигантов. В двух случаях — WASP-39 b и WASP-17 b — выявлены аналогичные циклы формирования облаков. В дальнейшем планируется применение данных новых наблюдательных программ телескопа Webb для анализа облачных процессов на более широком наборе экзопланет. Профессор Натан Мейн из кафедры физики и астрономии Эксетерского университета отметил, что сочетание наблюдений JWST и численного моделирования позволяет определять состав облаков на планете в 700 световых годах от Земли и совершенствовать методы прогнозирования атмосферных процессов.

Читайте также: