Международная группа астрономов благодаря телескопу «Хаббл» обнаружила стратосферу у экзопланеты WASP-121b и доказали наличие в ней горячего водяного пара. Это первая стратосфера достоверно зафиксированная за пределами Солнечной системы. Интересно, что находка указывает на существование у WASP-121b аналога озонового слоя, который, по предположению авторов, может содержать пары оксида ванадия и титана. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Атмосферу Земли делят на несколько слоев, отличающихся характером роста температуры в них. К примеру, в тропосфере, поднимающейся на 10-18 километров над поверхностью Земли, температура с высотой падает на 6,5 градусов с каждым километром высоты. В стратосфере, поднимающейся до 50 километров, наблюдается обратная зависимость: температура медленно поднимается от минус 50 градусов Цельсия до нуля. За рост температуры в стратосфере ответственен озоновый слой, очень эффективно поглощающий ультрафиолетовое излучение Солнца. Следующими идут мезосфера (температура вновь убывает) и термосфера (температура резко растет и связана с активностью Солнца).
Стратосфера — не уникальное земное явление. Стратосфера Юпитера разогревается от 110 (верхняя граница тропосферы) до 200 кельвин, а у Урана — от 50 до 800 кельвин. Роль озона здесь выполняет метан. Также стратосфера присутствует в атмосферах Сатурна и Нептуна. Два года назад астрономы сообщили о намеках на наличие стратосферы у экзопланеты WASP-33b, но эти данные нельзя было назвать однозначными.
Самый надежный способ доказать существование стратосферы — исследовать свечение экзопланеты в инфракрасном диапазоне. Если в атмосфере есть стратосфера, то нижний слой окажется холоднее верхнего. Тогда тепловое излучение стратосферы проявится в виде пиков испускания на спектре. Если же стратосферы нет, то нижний слой в целом теплее верхнего. Тогда его тепловое излучение будет поглощаться верхними слоями, что также отразится на спектре.
В новой работе астрономы наблюдали с помощью камеры WFC3 телескопа «Хаббл» за экзопланетой WASP-121b. Она располагается примерно в 900 световых годах от Земли и относится к классу горячих Юпитеров. Ее масса на 20 процентов больше, чем у Юпитера, а диаметр в два раза превышает юпитерианский. Экзопланета находится очень близко к центральному светилу системы — год на ней длится около 1,3 дня. Следствие такой близости — огромная температура верхних слоев атмосферы, достигающая 2,5 тысяч кельвин.
Камера WFC3 уже стала традиционным инструментом для поиска спектральных следов воды в различных объектах. Она позволила обнаружить ясные следы теплового излучения воды в атмосфере WASP-121b — четкий пик на длине волны 1,4 микрометра. Отсутствие стратосферы ученые ожидали увидеть в виде провала в той же области спектра. По оценкам авторов величина разогрева стратосферы достигает 1000 градусов, гораздо больше, чем у любой другой из известных стратосфер.
Некоторые особенности спектра можно объяснить наличием в атмосфере паров оксида ванадия — кандидата на роль озона в экзопланетном озоновом слое. Как и озон, оксид ванадия хорошо поглощает ультрафиолет и в больших концентрациях может вызывать температурную инверсию (и, соответственно, образование стратосферы). Однако указания на следы оксида ванадия в атмосфере не настолько надежны, как на воду, поэтому точно говорить о «виновнике» возникновения стратосферы экзопланеты еще рано.
Ранее в этом году мы сообщали о первом надежном обнаружении атмосферы у экзопланеты земного типа — GJ 1132b. Интересно, что этот объект обращается около красного карлика — считается, что активность таких звезд должна быть губительна для атмосфер.
Владимир Королёв