Астрономы составили первую трехмерную карту планеты, вращающейся вокруг звезды, отличной от Солнца. На ней показана атмосфера с четкими температурными зонами. Одна из этих зон настолько раскалена, что водяной пар в ней распадается на атомы водорода и кислорода. О научном достижении в области экзопланетной картографии сообщает команда ученых из Корнеллского университета.
Температурная карта WASP-18b — газового гиганта, известного как «сверхгорячий Юпитер» и расположенного в 400 световых годах от Земли, — является первой моделью, полученной с помощью метода спектроскопического картирования затмений (spectroscopic eclipse mapping).
Работа основана на 2D-модели, которую члены той же команды опубликовали в 2023 году, продемонстрировав потенциал картирования затмений с помощью высокочувствительных наблюдений космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) NASA.
Ученые отмечают, что теперь для многих похожих типов экзопланет, наблюдаемых с помощью JWST, можно составить карту атмосферной динамики — подобно тому, как земные телескопы наблюдают за Большим красным пятном Юпитера, структурой его полосчатых облаков или за экваториальными потоками на газовых и ледяных гигантах Солнечной системы.
Картографирование затмений позволяет получать изображения экзопланет, которые невозможно увидеть напрямую из-за яркости родительских звезд.
Статья под заголовком «Горизонтальная и вертикальная тепловая структура экзопланет на основе спектроскопической карты затмений JWST» опубликована в журнале Nature Astronomy
Обнаружить экзопланеты непросто — как правило, их излучение не превышает 1% яркости родительской звезды. Для составления карты затмений необходимо измерить небольшие доли от общего количества света, когда планета проходит перед своей звездой, частично закрывая ее. Ученые сопоставляют малейшие изменения в освещении с конкретными областями, чтобы создать карту яркости, которую при использовании нескольких длин волн можно преобразовать в карту температур в трех измерениях — широте, долготе и условной высоте. Высота условна, поскольку у газовых планет нет твердой поверхности, которую можно принять за точку отсчета.
Газовый гигант WASP-18b, масса которого примерно равна массе десяти Юпитеров, совершает оборот вокруг своей звезды всего за 23 часа, а средняя температура его атмосферы оценивается в 2500 К. Такая жара обеспечивает сильный инфракрасный сигнал, что делает планету хорошим объектом для тестирования новой технологии картографирования, несмотря на большое расстояние до системы.
В более ранней 2D-карте использовалась одна длина волны, тогда как в новой 3D-карте повторно проанализированы те же наблюдения, полученные с помощью бесщелевого спектрографа ближнего инфракрасного диапазона JWST (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS) на множестве длин волн ближнего ИК-спектра.
Каждый цвет соответствует определенной температуре и высоте в газовой атмосфере WASP-18b, которые можно объединить для создания трехмерной карты.
Если составить карту на основе длины волны, поглощаемой водой, можно увидеть водяной слой в атмосфере, тогда как длины волн, которые вода не поглощает, позволяют заглянуть глубже. Объединив эти данные, ученые получают трехмерную карту температур в атмосфере.
Новое исследование подтвердило наличие спектроскопически различных областей — дифференцированных по температуре и, возможно, по химическому составу — на дневной стороне WASP-18b, которая всегда обращена к звезде из-за приливного захвата (аналогично тому, как Луна всегда повернута к Земле одной стороной).
На этой знойной половине планеты есть круглая «горячая точка», куда постоянно падает самое прямое излучение звезды и где ветры, по-видимому, недостаточно сильны, чтобы перераспределять тепло.
Вокруг горячей точки располагается более прохладное «кольцо», ближе к видимым краям планеты. По словам первого автора исследования Райана Чалленера, измерения показали более низкий уровень водяного пара в горячей точке, чем в среднем по WASP-18b.
Это подтверждает, что в этом регионе планеты настолько жарко, что вода распадается на составляющие — водород и кислород. Ранее это предсказывалось теоретически, но теперь астрономы впервые наблюдают диссоциацию воды в реальности.
Дополнительные наблюдения с помощью JWST помогут повысить пространственное разрешение первой трехмерной карты транзитной экзопланеты. Этот метод уже сейчас позволяет составлять температурные карты других «горячих юпитеров». Среди более чем 6000 подтвержденных на сегодняшний день экзопланет несколько сотен относятся к этому типу и доступны для наблюдений с помощью сверхчувствительных инфракрасных приборов JWST.
Недавно мы сообщили о том, что у двойной звезды нашли три каменистых планеты.
