Хъбъл за първи път наблюдава промени в атмосферата на екзопланета

Наблюдението на планетите извън нашата Слънчева система е една твърде трудна задача. Както поради отдалечеността им от инструментите, с които можем да ги изучаваме, така и защото са трудни за наблюдение, тъй като обикалят около много по-големи и по-ярки звезди. За да се разберат например промените в техните атмосфери, е необходимо да се комбинират множество висококачествени данни, получени за дълъг период от време.

Наскоро това беше направено за първи път с помощта на архивните данни от Хъбъл за екзопланетата WASP-121 b, известна още като Tylos. Започвайки с наблюденията на Хъбъл, събрани през 2016 г., 2018 г. и 2019 г., екипът от учени успя не само да анализира атмосферата на планетата, но и да сравни състоянието на тази атмосфера в продължение на няколко години, като откри ясни доказателства за нейната промяна.

След това екипът използва сложни техники за моделиране, за да покаже кои метеорологични модели могат да обяснят тези времеви вариации на екзопланетата.

Наблюдението на WASP-121 b с помощта на Хъбъл

WASP-121 b е добре изучен горещ Юпитер, който обикаля около звезда на 880 светлинни години от Земята и прави един оборот около нея за 30 часа. Тъй като е толкова близо до звездата си, WASP-121b е приливно заключена: едната страна на планетата винаги е обърната към звездата и е много гореща, с температура над 3000 градуса по Келвин (или 2700 градуса по Целзий).

Екипът комбинира четири набора от архивни наблюдения на WASP-121b, направени с широкоъгълната камера на Хъбъл 3 (WFC 3). Пълният набор от събрани данни включва наблюдения на:

• WASP-121 b, преминаващ пред своята звезда през юни 2016 г.
• Транзитът – преминаването на WASP-121 b зад звездата си (събитие, известно като вторично затъмнение) през ноември 2016 г.
• Двете светлинни криви, записани съответно през март 2018 г. и февруари 2019 г.

Екипът решава да третира всеки набор от данни по един и същи начин, въпреки че някои от данните вече са били третирани в предишни проучвания. Третирането на всеки набор по един и същи начин позволило на екипа да сравни директно резултатите от всеки набор от наблюдения. Един от членовете на екипа, Куентин Ченджат, изследовател на ЕКА в Научния институт за космически телескопи, обяснява:

„Информацията, която извлекохме от тези наблюдения, беше използвана за характеризиране (химичен състав, температура и облачност) на атмосферата на WASP-121 b в различни периоди от време. Това ни даде отлична представа за промените на планетата с течение на времето.

Очевидните вариации в тази извънземна атмосферна среда

След пречистването на всеки обработен набор екипът открива ясни доказателства, че атмосферата на WASP-121 b се е променила с течение на времето. На първо място, данните от Хъбъл показват очевидното изместване на горещата точка на екзопланетата – най-горещата точка на нейната повърхност, която не винаги се намира в най-близката точка до звездата.

Забелязани са и значителни разлики в спектралните характеристики, показващи химическия състав на атмосферата на екзопланетата, което предполага бързо променяща се атмосфера.

След това изследователите използваха сложни изчислителни модели, за да се опитат да разберат наблюдаваното поведение на атмосферата на екзопланетата. Моделите показаха, че резултатите могат да бъдат обяснени с квазипериодични метеорологични явления, по-специално с наличието на масивни циклони, които постоянно възникват и се разпадат поради огромната температурна разлика между обърнатата към звездата и тъмната страна на екзопланетата. Този резултат представлява значителна стъпка напред в потенциалното наблюдение на метеорологичните модели на екзопланети.

По-горе е показано видео, в което са показани прогнозите за температурата на WASP-121 b в продължение на 130 дни, между изгрева, обяда, залеза и полунощ. По-светлите жълти области представляват области от дневната страна на екзопланетата, където температурите са доста над 2000 градуса по Келвин поради близостта ѝ до звездата-домакин (около 2,6% от разстоянието между Земята и Слънцето).

Поради изключителната температурна разлика между дневната и нощната страна астрономите подозират, че изпареното желязо и другите тежки метали, които се отделят в горните слоеве на атмосферата от дневната страна, частично се освобождават обратно в долните слоеве на атмосферата, предизвиквайки железен дъжд на нощната страна. Освен това някои тежки метали напускат горните слоеве на атмосферата под въздействието на гравитацията на планетата.

Какво означава това откритие?

Симулациите с висока разделителна способност на атмосферите на екзопланетите дадоха възможност на учените точно да моделират времето на свръхгорещите планети от рода на WASP-121 b. Това най-ново изследване е значителна стъпка напред в изучаването на екзоатмосферите – съчетаване на експерименталните ограничения от наблюденията и атмосферните симулации, за да се разберат промените във времето.

Сега, след като тази стъпка е направена, бъдещите наблюдения с Хъбъл и други мощни космически обсерватории като Джеймс Уеб ще предоставят повече информация за метеорологичните условия на екзопланети като WASP-121 b. И в крайна сметка може би те ще позволят откриването на екзопланети със стабилни дългосрочни климатични и метеорологични модели.

„Изследването на климата на екзопланетите е от жизненоважно значение за разбирането на сложността на екзопланетните атмосфери“, казва Ченджат, „особено при търсенето на екзопланети с условия за живот.“