Наблюдения, проведенные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), открыли новые горизонты в понимании формирования экзопланеты WASP-121b и её происхождения в газопылевом диске, окружающем её звезду. Эти данные были получены благодаря выявлению множества ключевых молекул: водяного пара, монооксида углерода, монооксида кремния и метана.
На основании этих открытий команда, возглавляемая астрономами Томасом Эвансом-Сомой и Сирилом Гаппом, смогла составить детальный перечень углерода, кислорода и кремния в атмосфере WASP-121b. В частности, обнаружение метана указывает на наличие сильных вертикальных ветров на более прохладной ночной стороне планеты — процесс, который зачастую игнорируется в современных моделях.
WASP-121b представляет собой горячий газовый гигант, обращающийся вокруг своей звезды на расстоянии, примерно вдвое превышающем её диаметр, и совершает полный оборот за 30,5 часов. Планета имеет два различных полушария: одно, всегда обращенное к звезде, где температура превышает 3000 градусов по Цельсию, и вечную тьму, где температура падает до 1500 градусов.
"Температуры на дневной стороне достаточно высоки, чтобы огнеупорные материалы — обычно твердые соединения, устойчивые к сильному нагреву — могли существовать в виде газообразных компонентов атмосферы планеты", — пояснил Томас Эванс-Сома, астроном, работающий в Институте астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, и Университете Ньюкасла, Австралия. Он возглавил исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy.
Команда исследовала множество соединений, испаряющихся при различных температурах, что открывает ключ к пониманию формирования и эволюции планеты. "Газообразные вещества легче идентифицировать, чем жидкости и твердые тела", — отметил Сирил Гапп, ведущий автор второго исследования, опубликованного в Astronomical Journal.
"Поскольку многие химические соединения присутствуют в газообразной форме, астрономы используют WASP-121b в качестве естественной лаборатории для изучения свойств атмосфер планет".
Кремний был обнаружен в виде газообразного монооксида кремния (SiO), однако первоначально он попал на планету через каменистый материал, такой как кварц, содержащийся в планетезималях — по сути, астероидах — после того, как планета приобрела основную часть своей газовой оболочки. Формирование планетезималей требует времени, что указывает на то, что этот процесс происходил на более поздних стадиях развития планеты.
Формирование планет начинается с частиц ледяной пыли, которые слипаются и постепенно превращаются в гальку размером от сантиметра до метра. Эти частицы притягивают окружающий газ и мелкие твердые частицы, ускоряя свой рост.
Это и есть зародыши будущих планет, подобных WASP-121b. Притяжение окружающего газа заставляет движущиеся камешки спиралевидно двигаться к звезде. По мере их миграции, содержащийся в них лед начинает испаряться в более теплых внутренних областях диска.
Пока молодые планеты вращаются вокруг своих звезд-хозяев, они могут вырасти настолько большими, что в протопланетном диске образуются значительные пробелы. Это останавливает дрейф гальки внутрь планеты и поступление льда, но оставляет достаточно газа для формирования атмосферы.
В случае с WASP-121b, это, по-видимому, произошло в области, где метановая галька испарилась, обогатив газ, который снабжал планету углеродом. В отличие от этого, водяная галька оставалась замороженной, удерживая кислород.
Этот сценарий наилучшим образом объясняет, почему Эванс-Сома и Гапп наблюдали более высокое соотношение углерода и кислорода в атмосфере планеты по сравнению с её звездой-хозяином. WASP-121b продолжала притягивать богатый углеродом газ даже после прекращения потока обогащенных кислородом камешков, что определило окончательный состав её атмосферной оболочки.
Ожидается, что с изменением температуры атмосферы изменится и количество различных молекул, таких как метан и монооксид углерода.
При экстремально высоких температурах дневной стороны WASP-121b метан оказывается крайне нестабилен и не будет присутствовать в заметных количествах. Астрономы установили, что газ из дневного полушария должен перемешиваться с относительно прохладным ночным полушарием быстрее, чем состав газа сможет адаптироваться к более низким температурам.
Согласно этому сценарию, можно было бы ожидать, что на темной стороне, как и на дневной, содержание метана будет незначительным. Однако, когда астрономы обнаружили значительное количество метана на темной стороне WASP-121b, это стало полной неожиданностью.
Чтобы объяснить этот результат, команда предполагает, что газообразный метан должен быстро восполняться на темной стороне, чтобы поддерживать его высокое содержание.
Вероятный механизм этого заключается в сильных вертикальных потоках, поднимающих газообразный метан из нижних слоев атмосферы, которые обогащены метаном благодаря относительно низким ночным температурам в сочетании с высоким соотношением углерода и кислорода в атмосфере.
"Это ставит под сомнение динамические модели экзопланет, которые, вероятно, необходимо будет адаптировать для воспроизведения сильного вертикального перемешивания, обнаруженного на темной стороне WASP-121b", — сказал Эванс-Сома.
Команда использовала спектрограф JWST в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRSpec) для наблюдения за WASP-121b на протяжении всей её орбиты вокруг звезды-хозяина. Поскольку планета вращается вокруг своей оси, тепловое излучение, исходящее от её поверхности, меняется, открывая телескопу различные участки её облученной атмосферы. Это позволило команде охарактеризовать условия и химический состав как дневной, так и ночной сторон планеты.
Астрономы также зафиксировали, как планета проходила перед своей звездой. Во время этой фазы часть звездного света проникает сквозь атмосферный слой планеты, оставляя спектральные отпечатки, которые раскрывают её химический состав. Этот тип измерений особенно чувствителен к переходной области, где смешиваются газы дневной и ночной сторон.
"Появившийся спектр пропускания подтвердил обнаружение монооксида кремния, монооксида углерода и воды, полученных на основе данных о выбросах", — отметил Гапп. "Однако мы не смогли обнаружить метан в переходной зоне между дневной и ночной сторонами".
