• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
09.01.2024, 09:48
Анатолий Глянцев
2
3 779

Железные дожди и жестокие штормы: как астрономы впервые наблюдали погоду на экзопланете

❋ 8.3

На экзопланете WASP-121b бушуют штормы, возникают и разрушаются громадные вихри, идут дожди из раскаленного железа. Ученые совершили почти невозможное, вытащив из наблюдений «Хаббла» отзвуки этих бурных явлений.

Планета WASP-121b
Планета WASP-121b так близка к своей звезде, что гравитация придает ей вытянутую форму (художественное изображение) / © NASA, ESA, Quentin Changeat (ESA/STScI), Mahdi Zamani (ESA/Hubble) / Автор: Euclio Drusus

Атмосфера горячей планеты WASP-121b бурлит гигантскими вихрями. Раскаленные массы газа, сталкиваясь с более холодными, формируют масштабные атмосферные фронты. Из облаков железного пара выпадают металлические дожди. Хотелось бы продолжить: «…именно это астрономы впервые увидели в телескоп». Но все гораздо сложнее.

Да, ученые получили эти сведения с помощью прославленного «Хаббла». Да, это наблюдение — первое в своем роде, не только для WASP-121b, но и для экзопланет в целом. Но нет, астрономы ничего не видели своими глазами. Захватывающая картина внеземной погоды родилась из кропотливой обработки данных и сложного компьютерного моделирования. Расскажем по порядку, что и как выяснили исследователи.

Стихия непостоянства

Атмосферу Земли не назовешь спокойной. Чего стоят тропические циклоны, они же ураганы и тайфуны. Они сносят здания и мосты, ломают деревья и заливают водой прибрежные города. Между тем снимки Юпитера и Сатурна показывают вихри, по сравнению с которыми тысячекилометровые земные циклоны и антициклоны кажутся игрушками.

Есть ли атмосферные возмущения на экзопланетах, то есть планетах вне Солнечной системы? Наверняка есть. Законы физики одинаковы во всей Вселенной. Неравномерно нагреваемый газ неизбежно приходит в движение. А вот в какое именно движение — зависит от многих деталей. Даже в Солнечной системе атмосферные явления очень разнообразны.

Скажем, на северном полюсе Сатурна обосновался странный шестиугольный вихрь, впервые замеченный еще в 1981 году. Атмосфера Венеры ведет себя еще необычнее, вращаясь вокруг оси планеты в 60 раз быстрее поверхности. Результат этого вращения — высотные ветры со скоростью до 250 километров в час.

Полярный вихрь Сатурна, снятый аппаратом «Кассини» / © NASA/JPL-Caltech/SSI

Своя атмосфера

Экзопланета WASP-121b почти вдвое больше Юпитера по диаметру. Она в 40 раз ближе к своему солнцу, чем Земля — к своему. Полный оборот вокруг звезды, то есть местный год, длится всего 31 час. Из-за такой близости приливные силы выравняли местные сутки с годом. Иначе говоря, экзопланета WASP-121b всегда повернута к светилу одной стороной, как Луна — к Земле.

В одном полушарии царит вечная ночь, в другом же — вечный день. Температура в самом горячем месте достигает 1900 градусов Цельсия. Это на сотни градусов выше точки плавления железа.

Потоки газа в атмосфере планеты WASP-121b (результат моделирования) / © NASA, ESA, Quentin Changeat (ESA/STScI), Mahdi Zamani (ESA/Hubble)

Элементарная физика подсказывает, что в таком мире атмосфера очень бурная. Ревущие ветры должны переносить тепло из дневного полушария в ночное. В Солнечной системе нет ничего подобного.

В общем, взглянуть на газовую оболочку WASP-121b было бы интересно. Жаль, что для этого нет технической возможности. То есть почти нет. Авторы недавнего препринта сделали почти невозможное, зафиксировав бурные атмосферные процессы в 880 световых годах от Земли.

Заглянуть под полог

Начнем с того, что типичную экзопланету просто не видно в телескоп. Расстояние от планеты до родительской звезды ничтожно по сравнению с дистанцией от звезды до наблюдателя. Поэтому при взгляде с Земли планета почти всегда сливается со своим солнцем. Шанс на портрет (и то в инфракрасных лучах) имеют лишь миры, весьма далекие от своих звезд. WASP-121b, чуть ли не вплотную прижатая к светилу, никак не подходит под это описание.

Как же ученые наблюдали планету, которой не видно? Так же, как ее и открыли еще в 2015 году: методом транзитов. К слову, именно этот метод подарил нам около 70% более чем из 5500 известных экзопланет.

Слово «транзит» означает проход экзопланеты между светилом и наблюдателем. Мы, конечно, не видим ни диска звезды (для нас звезда — светящаяся точка), ни тем более темного силуэта планеты на его фоне. Зато мы видим, что светило слегка тускнеет, когда планета затмевает собой часть ее лучей. Транзиты повторяются на каждом обороте планеты вокруг звезды. Регулярные падения яркости и сигнализируют, что обнаружена экзопланета.

Солидные размеры WASP-121b, спокойный нрав звезды и прекрасная чувствительность «Хаббла» позволяют увидеть нечто большее, чем транзиты. Планета регулярно заходит за звезду, оказываясь позади нее. Такое расположение называется вторичным затмением. В этот момент к лучам звезды не добавляется свет, отраженный от планеты. Так что наблюдаемая яркость тоже падает, хоть и слабее, чем при транзите.

Прогноз температуры на 120 местных суток в разных полушариях планеты WASP-121b (результат моделирования) / © NASA, ESA, Quentin Changeat (ESA/STScI), Mahdi Zamani (ESA/Hubble)

С отраженным от планеты светом связан еще один эффект. К своей-то звезде планета WASP-121b всегда обращена одной стороной, а вот к нашему телескопу — разными. В момент транзита к нам повернута неосвещенная сторона. Во время вторичного затмения мы видели бы освещенное полушарие, но оно скрыто за звездой. Во всех остальных конфигурациях мы наблюдаем часть освещенного и часть неосвещенного полушария.

Планета меняет фазы, как Луна в земном небе. В связи с этим к лучам звезды прибавляется разная часть отраженного планетой света. Так что и в промежутках между транзитами и вторичными затмениями блеск звезды плавно меняется. Чувствительный «Хаббл» видит эту разницу (конечно, после обработки данных).

Яркость звезды WASP-121 в зависимости от времени по наблюдениям «Хаббла». Центральный глубокий минимум – транзит планеты WASP-121b, боковые неглубокие – вторичные затмения / © Q. Changeat et al., arXiv:2401.01465

Астрономы использовали в общей сложности 90 часов наблюдений, выполненных в 2016, 2018 и 2019 годах. В кадр попали три транзита, пять вторичных затмений и промежуточные положения.  Во всех этих случаях «Хаббл» не только измерял блеск звезды, но и считывал инфракрасный спектр.

Спектр может рассказать о температуре планеты, составе ее атмосферы и количестве облаков. Все данные были получены одним и тем же телескопом, поэтому их легко сравнивать между собой. Авторы утверждают, что WASP-121b стала первой планетой, о которой собрали такую информацию.

Погода в аду

Итак, что обнаружили исследователи? Прежде всего, самая горячая часть атмосферы располагалась не прямо под местным солнцем. Она была немного смещена к востоку из-за вращения планеты. Это был ожидаемый результат.

Удивительным оказалось то, что эта область меняла положение и форму. Ученые сравнили несколько «температурных карт» планеты, сделанных в одно и то же время местных суток — а значит, и местного года. И выявили отчетливые различия.

Температурные карты планеты WASP-121b в разные дни (результат моделирования) / © Q. Changeat et al., arXiv:2401.01465

Вообразите, что вам возбужденно сообщают: «Представляете, 5 января 2024 года в Москве было холоднее, чем 5 января 2023-го!» Скорее всего, вы пожмете плечами и ответите, что в эти дни была разная погода. Та же мысль возникла у астрономов.

Свою догадку ученые подкрепили компьютерным моделированием. Тонкие и сложные расчеты воспроизвели портрет атмосферы, объясняющий все наблюдения.

Картина вышла захватывающая. В мощных потоках газа зарождались и уничтожались огромные вихри, похожие на земные циклоны. В их столкновениях формировались впечатляющие атмосферные фронты. На ночной стороне выпадали дожди из железа, испарившегося в дневном полушарии.

В этой модели погода на WASP-121b менялась не хаотично, а циклически. Один цикл занимал примерно пять местных суток, или, что то же самое, пять местных лет.

Разумеется, эти результаты не истина в последней инстанции. В конце концов, у ученых было только 90 часов наблюдений. По общей продолжительности это всего трое местных суток. К тому же четыре отрезка данных очень уж далеко отстоят друг от друга. Первые наблюдения сделали в июне 2016 года, последние — в феврале 2019-го. Шутка ли: по счету WASP-121b между ними прошло более 750 лет. За такой срок и климат может измениться, не то что погода.

Да и компьютерные модели — коварная штука. Слишком многое в них зависит от представлений модельера о том, какие факторы следует учитывать, а какие — нет.

Что авторы доказали твердо, так это что температура на WASP-121b не воспроизводится каждые сутки с точностью швейцарских часов. Это автоматически означает, что погода на планете переменчива. Что и следовало подозревать, но одно дело подозревать, другое — убедиться. А вот выводы о вихрях, атмосферных фронтах и пятидневных циклах требуют проверки. Для этого нужны новые наблюдения «Хаббла» или, скажем, «Уэбба», желательно продолжительные.

Наблюдательное время телескопов экстра-класса всегда нарасхват. Но для такой заманчивой цели оно рано или поздно найдется. И тогда мы узнаем больше о нраве горячей штучки WASP-121b.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
25 августа, 07:38
Адель Романова

В поиске сигналов от внеземных цивилизаций ученые решили сосредоточиться не на целенаправленных посланиях человечеству, а на случайных «утечках информации» из межпланетного пространства гипотетической обитаемой системы. По расчетам, в определенные моменты до нас могут доходить сигналы внеземной космической связи. Кстати, благодаря «общению» Земли с марсианскими и другими зондами мы тоже постоянно невольно сообщаем о себе в глубокий космос.

25 августа, 09:35
Любовь С.

Модель, представленная учеными из коллаборации DESI и Мичиганского университета (США), может перевернуть представления о происхождении темной энергии. Авторы нового исследования полагают, что черные дыры, поглощая вещество, постепенно преобразовывают его в энергию, гипотетически ответственную за расширение Вселенной.

25 августа, 08:19
Адель Романова

Глава Российской академии наук Геннадий Красников рассказал в недавнем интервью о том, для чего мышам летать над полюсами Земли, в чем преимущества новой космической станции по сравнению с МКС, что предстоит проделать на Луне в ближайшее десятилетие и чем ученых продолжает интриговать Венера.

22 августа, 10:48
ПНИПУ

К 2025 году около 30 стран приняли программы по развитию водородной энергетики, а совокупный объем инвестиций в эту область превысил 150 миллиардов долларов. Эксперты полагают, что замена дизельных авто на водородные снизит выбросы на 80-90%, а водородные самолеты способны уменьшить углеродный след на 50-75%. Но при использовании водорода в двигателях внутреннего или внешнего сгорания, происходит взаимодействие с металлом, что наиболее опасно при высоких температурах. Это может вызвать их разрушение, в результате чего возникает риск пожара или взрыва с тяжелыми последствиями для пассажиров. Ученые Пермского Политеха впервые выяснили, как водород влияет на металлы в условиях экстремальных температур (800 градусов и выше), в которых работают двигатели самолетов и машин. Это продвинет авиационную, машиностроительную и нефтегазовую отрасли в безопасном использовании водорода в качестве источника энергии.

22 августа, 14:45
Игорь Байдов

Ученые обнаружили косвенные доказательства существования мира размером с Землю за орбитой Нептуна. Эта гипотетическая планета отличается от предполагаемой Девятой планеты не только размером, но и гравитационным влиянием на другие объекты.

22 августа, 13:09
Юлия Трепалина

Большие кошки (Pantherinae) обычно охотятся на животных своего или меньшего размера. У снежных барсов, как выяснилось, другие предпочтения. Новое исследование показало, что ирбисы чаще нападают на взрослых горных козлов, которые как минимум вдвое превосходят хищников в весе. Ученые объяснили, с чем может быть связан такой выбор добычи.

6 августа, 20:59
Татьяна Пичугина

Примерно 12 800 лет назад в Северном полушарии началось резкое изменение климата, которое сопровождалось вымиранием мегафауны и угасанием культуры Кловис. Такое могло произойти, например, из-за прорыва пресных вод в Атлантику или мощного вулканического извержения. Несколько лет назад ученые обнаружили места на суше с повышенным содержанием элементов платиновой группы, прослоями угля, микрочастицами расплава. По их мнению, это может быть признаком пребывания Земли в потоке обломков кометы или астероида. В новой работе впервые представлены доказательства кометного события в позднем дриасе из морских осадочных толщ.

30 июля, 08:08
Редакция Naked Science

Возраст находок — около 5500 лет, они лежат во множестве круглых ям, чьи стены укреплены кирпичом. Среди обнаруженных орудий из кремня есть и сотни неиспользованных, которые могут быть ритуальным подношением богам.

31 июля, 08:28
Полина Меньшова

Гостингом (от английского «призрак») называют ситуацию, когда человек прекращает общение или отношения, «пропадая с радаров» без объяснения причин. Исследователи из США сымитировали такое поведение, а затем проанализировали реакцию людей на него.

[miniorange_social_login]

Комментарии

2 Комментария
StaВ B
16.01.2024
-
0
+
Как страшно жить...
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно