«Джеймс Уэбб» нашел длинные гелиевые хвосты у ультрагорячего юпитера

«Джеймс Уэбб» провел рекордно длительные непрерывные наблюдения за утечкой атмосферы у экзопланеты. Их целью стал ультрагорячий юпитер WASP-121b, у которого обнаружилась сложная по структуре система из двух очень длинных гелиевых хвостов, исходящих из протяженной термосферы. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Процесс утери атмосферы короткопериодными экзопланетами под действием излучения родительской звезды может отвечать как за наблюдаемые свойства их атмосфер (например, суперпухлые планеты), так и за статистические аномалии в распределении известных экзопланет (например, «пустыню горячих нептунов»). Существуют два основных метода наблюдений для поиска атмосферных оттоков у экзопланет и оценки их параметров: в линии водорода Лайман-альфа в ультрафиолетовом диапазоне или в линии триплета гелия в ближнем инфракрасном диапазоне. Подобные наблюдения ведутся во время экзопланетных транзитов и позволили выявить газовые хвосты разных типов. Однако пока что не было случаев точного определения физических границ подобных структур вне самого транзита, что связано либо с кратковременностью наблюдений, либо с перерывами в них.

Группа астрономов во главе с Роменом Алларом (Romain Allart) из Университета Монреаля сообщила о случае рекордно длительных непрерывных наблюдений за утечками из атмосферы экзопланеты. Целью исследований стал ультрагорячий юпитер WASP-121b. Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» вел за ним наблюдения в линии поглощения метастабильного триплета гелия при помощи инструмента NIRISS в период с 26 по 28 октября 2023 года.

WASP-121b обладает массой 1,18 массы Юпитера и радиусом 1,87 радиуса Юпитера и обращается вокруг звезды спектрального типа F6 каждые 1,275 дня по полярной орбите. Равновесная температура экзопланеты составляет 2350 кельвин, а ее атмосфера распухла из-за излучения звезды и несферична из-за действия приливных сил. Предыдущие наблюдения за ней выявили признаки избыточного поглощения гелия, что интерпретировалось как утечка атмосферы, однако структура оттока подробно не изучалась.

Наблюдения  «Джеймса Уэбба» за WASP-121b в общей сложности заняли 36,9 часа, что позволило покрыть около 60 процентов орбиты, включая два вторичных затмения (экзопланета проходила позади звезды) и один транзит (экзопланета проходила впереди звезды). В течение 17 часов непрерывно регистрировалось избыточное поглощение гелия, указывавшее на отток из атмосферы, который можно разделить на три составляющих. Впереди экзопланеты наблюдается ведущий поток газа, у которого быстро возрастает плотность и наблюдаются признаки аккреции на звезду, стартующую в окрестностях четвертой точки Лагранжа в системе «звезда — экзопланета». Затем видна сама экзопланета, обладающая протяженной термосферой, переполняющей полость Роша. Наконец, за экзопланетой тянется ведомый поток газа, плотность которого медленно спадает по мере удаления от ультрагорячего юпитера. За его постепенное смещение ответственно давление звездных ветров.

Предполагается, что газовые хвосты порождаются за счет гидродинамической диссипации атмосферы под действием сильного нагрева звездой и ее приливных сил. Общая физическая протяженность оттоков составляет 107 радиусов экзопланеты или около 0,1 астрономической единицы. При этом они достаточно сильные, чтобы помимо водорода и гелия уносить из атмосферы ультрагорячего юпитера в космос еще и более тяжелые элементы, такие как щелочные металлы.

WASP-121b уже неоднократно становился предметом интереса планетологов — у экзопланеты ранее нашли стратосферу и померили ее температуру, а также впервые заметили монооксид кремния и облака из титаната кальция в атмосфере.