В атмосфере экзопланеты найдены водяной пар, сернистый газ и песчаные облака

Группа европейских астрономов под руководством исследователей из Института астрономии KU Leuven использовала результаты недавних наблюдений на космическом телескопе James Webb для изучения атмосферы близкой экзопланеты WASP-107b.

Заглянув вглубь атмосферы WASP-107b, они обнаружили там не только водяной пар и сернистый газ, но даже облака силикатного песка. Эти частицы находятся в динамичной атмосфере, в которой наблюдается активный перенос вещества.

Астрономы всего мира используют передовые возможности прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument), установленного на космическом телескопе Джеймса Уэбба (JWST), для проведения революционных наблюдений за экзопланетами — планетами, вращающимися вокруг звезд, отличных от нашего Солнца. Одним из таких интересных миров является WASP-107b — уникальная газообразная экзопланета, вращающаяся вокруг звезды, которая немного холоднее и менее массивна, чем наше Солнце.

Масса планеты сходна с массой Нептуна, но ее размеры значительно превышают размеры Нептуна и почти приближаются к размерам Юпитера. Эта особенность делает WASP-107b довольно «пушистой» по сравнению с газовыми планетами-гигантами в нашей Солнечной системе. Пушистость этой экзопланеты позволяет астрономам заглянуть в ее атмосферу примерно в 50 раз глубже, чем при исследовании такого гиганта Солнечной системы, как Юпитер.

Группа европейских астрономов в полной мере воспользовалась удивительной пушистостью этой экзопланеты, что позволило им заглянуть вглубь ее атмосферы. Эта возможность открыла окно к разгадке сложного химического состава ее атмосферы. Причина этого довольно проста: сигналы, или спектральные особенности, гораздо более заметны в менее плотной атмосфере по сравнению с более компактной.

Результаты последнего исследования, опубликованные в журнале Nature, свидетельствуют о наличии водяного пара, диоксида серы (SO2) и силикатных облаков, но, что примечательно, в них не обнаружено следов парникового газа метана (CH4).

Динамичная атмосфера

Эти обнаружения позволяют получить важные сведения о динамике и химическом составе атмосферы этой удивительной экзопланеты. Во-первых, отсутствие метана указывает на потенциально теплую внутреннюю часть планеты, позволяя получить представление о движении тепловой энергии в ее атмосфере. Во-вторых, большим сюрпризом стало обнаружение диоксида серы (известного по запаху сгоревших спичек).

Предыдущие модели предсказывали его отсутствие, но теперь новые климатические модели атмосферы WASP-107b показывают, что сама пушистость WASP-107b способствует образованию диоксида серы в ее атмосфере. Несмотря на то, что звезда-хозяин излучает относительно небольшую долю высокоэнергетических фотонов из-за своей более холодной природы, эти фотоны могут проникать глубоко в атмосферу планеты благодаря ее пушистой природе. Это позволяет протекать химическим реакциям, необходимым для образования диоксида серы.

Но это еще не все, что удалось наблюдать. Спектральные характеристики как диоксида серы, так и водяного пара значительно уменьшены по сравнению с безоблачным сценарием. Высотные облака частично заслоняют водяной пар и диоксид серы в атмосфере. Хотя предположения о наличии облаков на других экзопланетах уже высказывались, это первый случай, когда астрономы могут точно определить химический состав этих облаков. В данном случае облака состоят из мелких силикатных частиц — хорошо знакомого человеку вещества, которое во многих частях света является основной составляющей песка.

JWST совершает революцию в изучении характеристик экзопланет, позволяя получать беспрецедентные данные с поразительной скоростью, — говорит ведущий автор исследования профессор Леен Децин (Leen Decin) из KU Leuven.

Обнаружение облаков песка, воды и диоксида серы на этой пушистой экзопланете с помощью прибора MIRI JWST является важнейшим событием. Она меняет наше представление о формировании и эволюции планет и проливает новый свет на нашу собственную Солнечную систему.

В отличие от земной атмосферы, где вода замерзает при низких температурах, на газообразных планетах, достигающих температуры около 1000 градусов Цельсия, силикатные частицы могут вымораживаться, образуя облака. Однако в случае WASP-107b, когда температура внешней атмосферы составляет около 500 градусов Цельсия, традиционные модели предсказывали, что эти силикатные облака должны формироваться глубже в атмосфере, где температура значительно выше. Кроме того, из песчаных облаков, расположенных высоко в атмосфере, выпадает дождь. Как же тогда получается, что эти песчаные облака существуют на больших высотах и продолжают существовать?

По словам ведущего автора исследования доктора Михиля Мина (Michiel Min):

То, что мы видим эти песчаные облака высоко в атмосфере, должно означать, что капли песчаного дождя испаряются в более глубоких, очень горячих слоях, а образовавшиеся силикатные пары эффективно перемещаются обратно вверх, где они вновь конденсируются и образуют силикатные облака. Это очень похоже на круговорот водяного пара и облаков на нашей Земле, только с каплями, состоящими из песка.

Этот непрерывный цикл сублимации и конденсации с помощью вертикального переноса и является причиной постоянного присутствия песчаных облаков в атмосфере WASP-107b.

Это новаторское исследование не только проливает свет на экзотический мир WASP-107b, но и расширяет границы наших представлений об атмосферах экзопланет. Оно знаменует собой важную веху в изучении экзопланет, раскрывая сложное взаимодействие химических веществ и климатических условий на этих далеких мирах.

JWST позволяет получить глубокую характеристику атмосферы экзопланеты, не имеющей аналогов в нашей Солнечной системе, мы открываем новые миры! — говорит ведущий автор исследования д-р Ахрен Дирек (Achrène Dyrek) из CEA Paris.

Проектирование и разработка прибора MIRI

Благодаря финансированию бельгийского федерального управления научной политики BELSPO в рамках программы ЕКА PRODEX, ключевую роль в проектировании и разработке прибора MIRI сыграли бельгийские инженеры и ученые, в том числе Centre Spatial de Liege (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi) и OIP Sensor Systems (Oudenaarde). В Институте астрономии KU Leuven ученые, работающие с прибором, провели всесторонние испытания прибора MIRI в специальных испытательных камерах, имитирующих космическую среду, в лабораториях в Великобритании, в центрах NASA Goddard и NASA Johnson Space.

Вместе с коллегами из Европы и США мы создавали и тестировали прибор MIRI в течение почти 20 лет. Очень приятно видеть, как наш прибор раскрывает атмосферу этой интригующей экзопланеты, — заключает специалист по прибору доктор Барт Ванденбуше (Bart Vandenbussche) из KU Leuven.

Данное исследование объединяет результаты нескольких независимых анализов наблюдений JWST и отражает многолетний труд, вложенный не только в создание прибора MIRI, но и в инструменты калибровки и анализа данных наблюдений, полученных с помощью MIRI.

15.11.2023