В 2015 году международная команда астрономов, которая работала с данными двух роботизированных обсерваторий SuperWASP-North на Канарских островах и SuperWASP-South в ЮАР, объявила об открытии экзопланеты WASP-121b. Объект вращается вокруг желто-белого карлика WASP-121 в 850 световых лет от Земли.
WASP-121b представляет собой ультрагорячий юпитер — класс газовых гигантов, которые располагаются чрезвычайно близко к своим светилам. Новая экзопланета практически обитает на границе полости Роша, поэтому очень скоро может разрушиться из-за приливных сил родительской звезды.
Экзопланета совершает полный оборот вокруг своего солнца за 30,5 часов. Этот мир — «заложник» своей звезды, он находится у нее в приливном захвате, то есть повернут к светилу всегда одной стороной. На дневной стороне температура достигает трех тысяч градусов Цельсия, а на ночной почти 1,5 тысячи градусов.
Такие экстремальные условия превращают атмосферу WASP-121b в уникальную химическую лабораторию. Высокие температуры на дневной стороне испаряют даже самые тугоплавкие металлы — обычно твердые соединения, устойчивые к сильному нагреву, — что позволяет изучить их состав в газообразном виде.
Ранее у WASP-121b астрономы открыли первую известную стратосферу, содержащую водяной пар. Но чтобы понять историю формирования экзопланеты, а также ее химическую эволюцию и динамику атмосферы, нужно больше данных. Именно такие данные помог получить космический телескоп «Джеймс Уэбб» — один из самых мощных на сегодняшний день инструментов для изучения далеких миров.
Международная команда астрономов под руководством Томаса Эванса-Сомы (Thomas Evans-Soma) из Института астрономии Макса Планка в Германии воспользовалась космической обсерваторией, чтобы тщательно исследовать мир WASP-121b. Ученые не просто подтвердили наличие уже известных химических веществ в атмосфере экзопланеты, а впервые обнаружили там метан (CH4) и монооксид кремния (SiO). Это открытие помогло пролить свет на происхождение WASP-121b и ее бурное прошлое.
В своем исследовании Эванс-Сом и его коллеги использовали инструмент «Джеймса Уэбба» NIRSpec — спектрограф ближнего инфракрасного диапазона. Ученые наблюдали WASP-121b на протяжении всего ее орбитального периода, длившегося 30,5 часа, и во время транзита — прохождения перед диском светила. Такой подход позволил зафиксировать тепловое излучение и с дневной, и с ночной стороны, а также проанализировать свет звезды, прошедший через атмосферу экзопланеты во время транзита.
Анализ данных выявил четкие спектральные сигнатуры четырех ключевых молекул: водяного пара (H2O), монооксида углерода (CO), монооксида кремния (SiO) и метана (CH4). Кроме того, ученым удалось определить относительное содержание углерода, кислорода и кремния в атмосфере.
Именно соотношение углерода к кислороду стало первым важным ключом к прошлому планеты. Оно оказалось заметно выше, чем в атмосфере родительской звезды. Это явное указание на то, что WASP-121b формировалась не там, где находится сейчас.
Ученые пришли к выводу, что экзопланета набрала основную массу своего газа в гораздо более холодном регионе протопланетного диска. Там было достаточно холодно, чтобы вода оставалась в твердом состоянии, но при этом достаточно тепло, чтобы метан мог существовать в газообразной форме.
В нашей Солнечной системе подобные условия существуют между орбитами Юпитера и Урана — в царстве газовых и ледяных гигантов. Это означает, что WASP-121b родилась далеко от своей звезды, в холодных окраинах системы. Но затем что-то заставило ее мигрировать внутрь, к самому светилу, где она сейчас и находится. В результате долгого и драматичного путешествия WASP-121b оказалась в «адской ловушке».
Важную деталь к картине формирования экзопланеты добавило обнаружение монооксида кремния (SiO). Авторы исследования полагают, что кремний попал на экзопланету не с газом, а с твердыми материалами — каменистыми планетезималями, богатыми кварцем (SiO2). WASP-121b захватывала их гравитацией уже на поздних стадиях своего развития, после того как набрала основную массу газа.
Ученые реконструировали сценарий появления WASP-121b. По их мнению, планета начала формироваться с ледяных частиц пыли, слипающихся в гальку размером от сантиметра до метра. Эта галька притягивала окружающий газ и мелкие частицы, что ускоряло ее рост. Двигаясь в газопылевом диске, материал испытывал сопротивление и постепенно «сползал» к звезде. По пути в более теплые внутренние области лед на гальке испарялся. Когда зародыш WASP-121b набрал достаточные размеры, он создал разрыв в диске. Этот разрыв остановил поток гальки из внешних областей.
Разрыв возник в зоне, где испарялась галька, содержащая метан (богатый углеродом), но еще не испарялась галька с водяным льдом (богатая кислородом). Планета продолжала притягивать окружающий газ, обогащенный углеродом от испарившегося метанового льда, но поток кислородосодержащей гальки уже прекратился. Так сформировалось высокое соотношение углерода к кислороду, которое «Джеймс Уэбб» и зафиксировал в атмосфере WASP-121b.
Еще одна важная деталь. При температуре три тысячи градусов на дневной стороне метан нестабилен и быстро разрушается. Он моментально распадается на углерод и водород. Теоретические модели предсказывали, что горячий газ с дневной стороны, содержащий продукты разрушения метана, постоянно перетекает на ночную сторону, где гораздо прохладнее. Причем, этот процесс происходит быстрее, чем метан успевает образовываться заново из тех самых «обломков» на ночной стороне. Поэтому метана там должно быть ничтожно мало. Но «Джеймс Уэбб» показал обратное — там этого газа очень много.
Ученые объяснили этот парадокс только одним способом: на ночной стороне дуют невероятно сильные вертикальные ветры. Они стремительно поднимают метан из глубоких, более холодных и богатых метаном слоев атмосферы, наверх, где его и зафиксировал космический телескоп. Скорость восходящих потоков должна быть настолько высока, что они постоянно пополняют запасы метана, несмотря на процессы, которые должны его разрушать или не давать образовываться в достаточном количестве.
Интересно, что во время транзита, когда космический телескоп NASA анализировал свет звезды, проходящий через зону смешения потоков с дневной и ночной сторон, метан обнаружить не удалось. Это косвенно подтверждает гипотезу о его глубоком залегании на ночной стороне и подъеме только над самой поверхностью «темного полушария».
Открытие команды Эванса-Сомы бросает вызов современным моделям динамики атмосфер экзопланет. Их придется серьезно дорабатывать, чтобы объяснить столь мощное вертикальное перемешивание, обнаруженное на ночной стороне WASP-121b.
Научная работа опубликована в журнале Nature Astronomy.