Астрономы изучают экзопланеты, на которых идут дожди из титана
V-kosmose.com

Астрономы изучают экзопланеты, на которых идут дожди из титана

Художественное представление экзопланеты типа Горячий Юпитер. Фото: NASA

Художественное представление экзопланеты типа Горячий Юпитер. Фото: NASA

Благодаря успеху миссии Кеплер мы знаем, что существует множество экзопланет типа «Горячие Юпитеры». Это газовые гиганты, которые вращаются так близко к своим звездам, что достигают чрезвычайно высоких температур.

У них также есть экзотические атмосферы, и эти атмосферы содержат много странностей, например облака из оксида алюминия и титановый дождь.

Команда астрономов создала облачный атлас для Горячих Юпитеров, подробно описывающий, какие типы облаков и атмосфер мы увидим, когда будем наблюдать разные Горячие Юпитеры.

Хотя все Горячие Юпитеры похожи, они действительно показывают некоторые различия. И эти различия могут диктовать то, что мы увидим в их атмосфере, особенно в течение следующих нескольких лет, поскольку мы разрабатываем более мощные телескопы, чтобы наблюдать их.

На данном изображении показана турбулентная атмосфера экзопланеты типа «горячий Юпитер», известной как HD 80606b. Изображение смоделировано на основание данных космического телескопа Спитцер НАСА.

На данном изображении показана турбулентная атмосфера экзопланеты типа «горячий Юпитер», известной как HD 80606b. Изображение смоделировано на основание данных космического телескопа Спитцер НАСА.

Верхний предел массы для горячего Юпитера составляет около 13,6 масс Юпитера. Выше и он синтезирует дейтерий и станет коричневым карликом. Их орбитальный период составляет от 1,2 до 111 земных дней, а орбиты почти круглые, с низким эксцентриситетом.

Многие Горячие Юпитеры имеют низкую плотность, и они приливно привязаны к своей звезде. Они редко встречаются у звезд типа красный карлик, зато часто встречаются у звезд типа F и G и менее распространены у звезд типа K.

Одна из причин, по которой мы знаем так много Горячих Юпитеров, заключается в том, что их так легко обнаружить. Когда они проходят перед своими звездами, они блокируют намного больше света, чем меньшие планеты. А поскольку их орбитальные периоды так коротки, шансы поймать одного транзита, пока мы наблюдаем, довольно высоки.

Поскольку «горячие юпитеры» так легко найти, и они являются прекрасными кандидатами для наблюдения за атмосферой с помощью будущих телескопов и команда астрономов создала для них облачный атлас. Этот атлас является в основном моделью различных типов атмосфер и облаков, которые можно найти на разных горячих Юпитерах.

Предсказанные высоты облаков и составы для температур, распространенных на экзопланетах типа Горячие Юпитеры. Фото: UC Berkeley image by Peter Gao

Предсказанные высоты облаков и составы для температур, распространенных на экзопланетах типа Горячие Юпитеры. Фото: UC Berkeley image by Peter Gao

Идея исследования состоит в том, чтобы каталогизировать тип атмосферы, которую имеют Горячие Юпитеры.

Как пишут авторы в исследовании: «Мельчайшие частицы распространены в атмосферах экзопланет в широком диапазоне температур, масс и возрастов. Эти мельчайшие частицы сильно влияют на наблюдения проходящего, отраженного и испускаемого света от экзопланет, запутывая наше понимание термической структуры экзопланеты и её состава».

Понимание концентрации мельчайших частицы в атмосферах Горячих Юпитеров даст астрономам преимущество при наблюдении за этими атмосферами в будущем.

«Знание доминирующего состава будет способствовать интерпретации наблюдений экзопланет и теоретическому пониманию их атмосферы», - пишут они.

Их работа также имеет отношение к мирам в нашей собственной Солнечной системе, таким как более холодные газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, и спутникам, подобным Титану, в котором преобладает густая, туманная атмосфера.

Атмосфера Титана в ложном цвете

Атмосфера Титана в ложном цвете

По мнению авторов, один тип облаков доминирует в атмосфере гигантских планет, будь то Горячие Юпитеры или более холодные гиганты. Эта атмосфера содержит «жидкие или твердые капли кремния и кислорода, такие как расплавленный кварц или расплавленный песок».

«Виды облаков, которые могут существовать в этих жарких атмосферах, - это вещи, которые мы на самом деле не считаем облаками в Солнечной системе», - сказал ведущий автор Питер Гао в пресс-релизе. «Существуют модели, которые предсказывают различный состав, но цель этого исследования состояла в том, чтобы оценить, какой из этих составов действительно имеет значение, и сравнить модель с имеющимися у нас данными».

Атмосфера экзопланет сейчас является горячей темой в астрономии и существует уже около десяти лет. Астрономы могут посмотреть на эти атмосферы, когда сквозь них проходит звездный свет, и определить некоторые факты об их составе.

Например, в 2019 году ученые обнаружили водяной пар (возможно, даже дождь) в атмосфере одной экзопланеты. В 2020 году исследователи обнаружили свидетельства о расплавленном железном дожде в атмосфере на ночном склоне экзопланеты.

А в октябре 2013 года астрономы обнаружили признаки облачного покрова на одной из первых экзопланет, обнаруженных космическим кораблем Kepler - Kepler 7b.

Художественное представление экзопланеты Kepler 7b. Фото: NASA

Художественное представление экзопланеты Kepler 7b. Фото: NASA

Но для каждой экзопланеты, которая раскрывает свои атмосферные секреты для спектроскопии, есть другая, облачный покров которой настолько густой, что спектроскопия не работает. Там так много облаков, что звездный свет не пройдет сквозь него вообще. Это мешает астрономам исследовать более глубокие слои атмосферы, где скрыты подсказки о планете.

«Мы нашли много облаков: некоторые виды частиц которые висят в этих атмосферах», - сказал Гао. «Мы на самом деле не знаем, из чего они сделаны, но они «загрязняют» наши наблюдения, существенно затрудняя нам оценку состава и содержания важных молекул, таких как вода и метан».

Ученые пытались понять и объяснить, что они видят, что это за капли. Они смоделировали оксиды алюминия, такие как корунд, рубины и сапфиры; расплавленная соль, такая как хлорид калия; оксиды кремния или силикаты, такие как кварц, основной компонент песка; сульфиды марганца или цинка, которые существуют как камни на Земле; и органические углеводородные соединения.

И, по словам Гао, эти экзотические облака могут быть жидкими или твердыми аэрозолями.

Модели были адаптированы из моделей, разработанных на основе атмосферы Земли, а затем распространены на такие планеты, как Юпитер, в котором есть турбулентная атмосфера, содержащая облака метана и аммиака. Оттуда Гао и другие авторы расширили его, включив в него «Горячие Юпитеры» с температурой до 2500 по Цельсию (4600 F).

Этот образ выполнен аппаратом Юнона 2 февраля 2017 года на высоте в 14500 км. Улучшенный вид доступен благодаря стараниям Бьорна Йонссона, использовавшего данные от JunoCam. На снимке показан огромный шторм, выполняющий вращение против часовой стрелки. Это белый овал, проживающий на территории южного полушария.

Этот образ выполнен аппаратом Юнона 2 февраля 2017 года на высоте в 14500 км. Улучшенный вид доступен благодаря стараниям Бьорна Йонссона, использовавшего данные от JunoCam. На снимке показан огромный шторм, выполняющий вращение против часовой стрелки. 

Их целью было посмотреть, как различные атмосферные газы разных атомов или молекул конденсируются в капли, как эти капли растут или испаряются, и как они могут переноситься через атмосферу.

«Идея состоит в том, что одни и те же физические принципы определяют формирование всех типов облаков», - сказал Гао, который также моделировал облака серной кислоты на Венере. «Что я сделал, так это взял эту модель и перенес ее на остальную часть галактики, чтобы она могла имитировать силикатные облака, железные облака и соляные облака».

Но это только моделирование. Как только модель была разработана, пришло время протестировать ее на наблюдательном уровне. У нас есть подробные атмосферные наблюдения примерно для 70 экзопланет, и Гао и группа исследователей сравнили модель с 30 из них.

Их результаты исключили некоторые из более экзотических типов облаков, которые были предложены за эти годы. Это потому, что для их конденсации требуется слишком много энергии.

Но другие типы, такие как кварцевые облака, легко конденсируются. Гао и команда обнаружили, что кремниевые облака преобладают в довольно широком температурном диапазоне: 1100 Кельвин, примерно от 900 К до 2000 К.

Они также обнаружили, что в самом горячем из Горячих Юпитеров оксиды алюминия и оксиды титана конденсируются в облака высокого уровня, в то время как в экзопланетах с более холодной атмосферой эти облака формируются ниже на планете и закрываются облаками с высоким содержанием силиката.

Художественное представление горячего Юпитера. Фото: NASA

Художественное представление горячего Юпитера. Фото: NASA

Если планеты еще холоднее, те же самые силикатные облака образуются еще ниже, оставляя верхние слои атмосферы прозрачными.

В результате своих выводов Гао говорит, что лучшие «Горячие Юпитеры» для исследования атмосферы находятся в двух температурных диапазонах: одна группа диапазона находится между 900K и 1400K, а другая выше 2200K.

В обоих этих диапазонах температур верхняя атмосфера чистая, что позволяет проводить подробные наблюдения за атмосферой.

«Присутствие облаков было измерено во многих атмосферах экзопланет раньше, но именно тогда, когда мы коллективно смотрим на большой образец, мы можем выделить физику и химию в атмосферах этих миров», - сказала соавтор Ханна Уэйкфорд, астрофизик из Университета Бристоля в Великобритании. «Доминирующие виды облаков так же распространены, как песок и будет действительно интересно впервые измерить спектральные сигнатуры самих облаков с помощью предстоящего космического телескопа Джеймса Вебба (JWST)».

Когда JWST будет запущен, он станет большим стимулом для ряда областей астрономии, космологии и других областей космической науки. У него будет возможность внимательно изучить атмосферу экзопланеты.

Но он также сможет направить свой мощный инфракрасный глаз на миры ближе к дому, такие как Юпитер. Мы можем обнаружить, что некоторые из экзотических типов облаков, описанных в этой работе, существуют в зловещей атмосфере Юпитера.

Художественное видение планеты WASP-174b

Художественное видение планеты WASP-174b

В этом исследовании есть одна слабость, которую авторы признают заранее. Их модель не учитывает разницы между днями и ночами, хотя Горячие Юпитеры, как правило, привязаны к своим звездам.

Они пишут: «Предостережение нашего исследования состоит в том, что, используя одномерные модели, мы не принимаем во внимание трехмерность теплых гигантских экзопланет, которые, вероятно, будут привязаны к звездам-хозяевам».

В будущем Гао и его коллеги намереваются проверить свою модель на предмет большего количества наблюдений экзопланет. «Поскольку существуют тысячи экзопланет против одного Юпитера, мы можем изучить их несколько и посмотреть, что такое среднее значение и как оно сравнивается с Юпитером», - сказал Гао.

Они также намерены изучить несколько коричневых карликов. Коричневые карлики - это, по сути, газовые гиганты, настолько массивные, что они почти звезды, и у них тоже есть атмосфера и облака.