Космический телескоп «Хаббл» помог астрономам построить глобальные карты распределения температуры в стратосфере ультрагорячего юпитера WASP-121b как на дневной, так и ночной стороне экзопланеты. Заодно ученые описали процессы циркуляции водяного пара и тугоплавких металлов в стратосфере. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.
Зависимость температуры от высоты в атмосферах экзопланет играет важную роль в понимании радиационных и динамических процессов, идущих в атмосферах и управляющих распределением энергии в них. Большой интерес для ученых представляют горячие газовые гиганты, расположенные близко к своим звездам и подвергающиеся воздействию мощных потоков излучения, что делает их природными лабораториями для исследований атмосфер в экстремальных условиях.
WASP-121b представляет собой ультрагорячий юпитер, который находится в приливном захвате у звезды спектрального класса F6V и находится в 850 световых годах от Солнца. Год на нем длится 30,6 часа, а эффективная температура составляет более двух тысяч кельвинов. Эта экзопланета примечательна тем, что в 2017 году у нее была открыта первая известная стратосфера, содержащая водяной пар. Наблюдения показали, что на дневной стороне WASP-121b наблюдается термическая инверсия, которая может быть вызвана наличием веществ-поглотителей излучения от звезды, таких как пары Fe, Mg, Cr, V и VO.
Группа астрономов во главе с Томасом Микал-Эвансом (Thomas Mikal-Evans) из Института астрофизики и космоса Кавли при Массачусетском технологическом институте опубликовала результаты анализа данных наблюдений инфракрасного спектрографа космического телескопа «Хаббл» за WASP-121b, проведенных в 2018-2019 годах. Ученые хотели более подробно изучить структуру атмосферы ультрагорячего гиганта, в частности его стратосферы.
Итогом работы стали глобальные карты распределения температуры стратосферы WASP-121b как в зависимости от широты и долготы, так и от высоты. В дневном полушарии температура верхних слоев атмосферы составляет от 2500 до 3500 кельвинов, а в самых холодных районах ночного полушария опускается ниже 1500 кельвинов с максимумом в 1800 кельвинов. Самая горячая область планеты смещена к востоку от подзвездной точки. Термическая инверсия на дневной стороне наблюдается при давлениях ниже 30 мбар, что согласуется с результатами более ранних исследований.
На дневной стороне WASP-121b содержание водяного пара резко падает с уменьшением давления из-за термической диссоциации молекул. Термическая ионизация также увеличивает количество свободных электронов, которые связываются с атомарным водородом с образованием гидрид-иона (H-). При понижении температуры на ночной стороне молекулы H2O рекомбинируют при низких давлениях. За циркуляцию водяного пара на планете ответственны ветра, скорость которых достигает пяти километров в секунду.
Температуры стратосферы на ночной стороне WASP-121b достаточно низки для конденсации частиц тугоплавких веществ, таких как магний, железо и ванадий и конденсации перовскита (CaTiO3), что может привести к истощению содержания титана в газовой фазе. Обнаружение тугоплавких металлов вблизи терминатора экзопланеты говорит о том, что, если они действительно образуют облака на ночной стороне, то подобная холодная ловушка не может эффективно удалять их из верхних слоев атмосферы. Горизонтальные ветра и вертикальное перемешивание могут удерживать эти сконденсированные частицы в верхних слоях атмосферы ночного полушария до тех пор, пока они не вернутся в дневное полушарие и не испарятся. Ожидается, что уже в конце этого года WASP-121b станет целью для наблюдений при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб», который позволит детальнее определить распределение различных веществ в ее атмосфере.
Ранее мы рассказывали о том, как
строномы
высоту облачного слоя на горячем сатурне с большой точностью и почему
кальция на ультрагорячем юпитере WASP-76b не вписалось в модели его атмосферы.
Александр Войтюк