2500 °C на рассвете, минеральные облака на закате — вот как выглядит день на планете в сотнях световых лет от нас

Космический телескоп Джеймса Уэбба впервые показал, что утро и вечер на далекой раскаленной планете отличаются друг от друга. На WASP-121 b, ультрагорячей газовой экзопланете, область заката оказалась горячее и более раздутой, чем область рассвета. Из-за этого атмосфера по-разному пропускает свет звезды на двух краях планеты.

Работу возглавил Сирил Гапп, аспирант Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге. Команда подтвердила эффект, который раньше предсказывали расчеты: переходные зоны между дневной и ночной сторонами WASP-121 b различаются по температуре и химическому составу.

В астрономии терминатором называют границу между освещенной и темной сторонами планеты. У WASP-121 b есть утренняя граница, где газ выходит из ночи в день, и вечерняя, где раскаленная дневная сторона переходит в ночь. Для далекой экзопланеты такую разницу трудно заметить: планета теряется в ярком свете своей звезды, а нужный сигнал остается очень слабым. Чувствительность телескопа Джеймса Уэбба позволила выделить тонкие изменения в инфракрасном излучении.

WASP-121 b находится очень близко к своей звезде и постоянно повернута к ней одной стороной. Такое состояние называют приливной синхронизацией: планета делает один оборот вокруг оси за то же время, за которое проходит круг по орбите. У WASP-121 b оба процесса занимают около 30 часов. Поэтому одна половина планеты постоянно раскаляется под звездным излучением, а другая остается в ночи.

Разница температур огромна. На дневной стороне средняя температура достигает примерно 2770 К, почти 2500 °C. На ночной стороне значение ближе к 1000 К, около 725 °C. При таком нагреве атмосфера активно движется: мощные ветры переносят тепло между полушариями и меняют химический состав газа на разных долготах.

Телескоп Джеймса Уэбба наблюдал WASP-121 b во время транзита, когда планета проходила по диску звезды. Часть звездного света в этот момент идет через верхние слои атмосферы. Молекулы и атомы задерживают излучение на отдельных длинах волн, поэтому спектр показывает, какие вещества есть в газовой оболочке и насколько сильно различаются ее участки.

Обычно астрономы складывают измерения за весь транзит, чтобы получить более чистую картину. Команда Гаппа поступила иначе: исследователи проследили, как поглощение света меняется по ходу прохождения планеты перед звездой. За время транзита WASP-121 b успевает повернуться примерно на 30 градусов. Благодаря этому в начале наблюдения сильнее видна область рассвета, а ближе к концу - зона заката.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона NIRSpec зафиксировал асимметрию: вечерняя граница поглощала больше инфракрасного излучения, чем утренняя. Исследователи связывают разницу с ветрами, которые уносят тепло с дневной стороны на ночную. Потоки газа движутся на восток, по направлению вращения планеты, и дополнительно нагревают область заката.

Когда газ нагревается, верхняя атмосфера расширяется. Поэтому вечерний край WASP-121 b перехватывает больше звездного света, чем утренняя область. В наблюдениях телескопа Джеймса Уэбба это проявилось как небольшое снижение яркости ближе к концу транзита и усиление отдельных спектральных признаков.

Особенно заметным стал сигнал угарного газа, CO. На вечерней стороне этот признак усилился, но исследователи не считают, что там обязательно больше молекул CO. Вероятнее всего, горячий газ просто меняет вид спектра, и вклад угарного газа становится заметнее без реального роста его количества.

С водой картина другая. Сигнал H2O, наоборот, ослабел, и команда трактует это как настоящее уменьшение числа молекул воды. Верхние слои атмосферы на вечернем краю достаточно горячие, чтобы разрывать H2O на составные части. Этот результат тоже указывает на перенос тепла ветрами и перегрев зоны заката.

Геометрия наблюдений сыграла важную роль. Планета находится от звезды всего примерно на 1,9 звездного диаметра, поэтому за время транзита ее поворот уже заметно меняет картину. Наблюдатель видит не одну усредненную кайму вокруг темного диска, а разные участки атмосферы по очереди: сначала рассветную сторону, затем область заката. Время наблюдения помогает восстановить различия по долготе.

Чтобы проверить объяснение через температуру, астрономы запустили модели атмосферы газовой планеты. Расчеты показали, как тепло должно распределяться в верхних слоях WASP-121 b с учетом ее близости к звезде. Модели подтвердили общий эффект: различия температуры по долготе действительно меняют спектр во время транзита.

Но расчеты не полностью совпали с наблюдениями. Телескоп увидел более сильную асимметрию, чем предсказывали модели. Исследователи предположили, что утренняя граница может дополнительно охлаждаться. Один из вероятных вариантов - облака.

На WASP-121 b облака не похожи на земные. Вода при таких температурах не собирается в привычные капли. Ранее исследования указывали, что в атмосфере ультрагорячих газовых планет могут появляться минеральные облака, например из силикатов. Такие облака закрывают инфракрасное излучение из более глубоких и горячих слоев атмосферы. Для наблюдателя участок с облаками выглядит холоднее.

Моделировать облака на подобных планетах сложно. Нужно учитывать конденсацию, испарение, перенос вещества ветрами и быстрые перепады температуры. Поэтому распространенные модели атмосфер экзопланет часто не описывают облака во всех деталях. В этой работе исследователи приблизительно учли их влияние на инфракрасное излучение из глубины атмосферы. После такой настройки расчеты стали ближе к данным телескопа Джеймса Уэбба, но для уверенного вывода об облаках нужны более сложные модели.

Результат важен не только для WASP-121 b. Команда показала способ изучать атмосферу экзопланеты не как среднюю оболочку вокруг всего диска, а по отдельным долготам. Для такого метода нужна подходящая цель: горячая планета, которая достаточно заметно поворачивается во время транзита и дает сигнал, пригодный для точной спектроскопии. Астрономы уже нашли другие планеты с нужной температурой и скоростью вращения.

Следующие наблюдения помогут понять, насколько похожи ультрагорячие газовые планеты между собой. Если метод применят к целой выборке, исследователи смогут сравнить рассветные и закатные области, силу ветров, химические различия и роль облаков в атмосферах экстремальных миров. Для WASP-121 b главный вывод уже ясен: даже узкая полоса между днем и ночью меняется по кругу планеты, а климат далекой экзопланеты можно разбирать почти по меридианам.