Астрономи Массачусетського технологічного інституту отримали найчіткіше уявлення про вічну темну сторону екзопланети, яка «приливно прив'язана» до своєї зірки. Їх спостереження в поєднанні з вимірами постійної денної сторони планети дають перше докладне уявлення про глобальну атмосферу екзопланети.
«Тепер ми виходимо за рамки ізольованих знімків певних областей атмосфер екзопланет, щоб вивчати їх як тривимірні системи, якими вони дійсно є», - говорить Томас Мікал-Еванс, який керував науковою групою.
Планета в центрі нового дослідження - це WASP-121b, масивний газовий гігант, майже в два рази більше Юпітера.
Ця планета є надміцним Юпітером і була виявлена в 2015 році на відстані близько 850 світлових років від Землі. WASP-121b має одну з найкоротших орбіт, виявлених на сьогоднішній день і здійснює обіг навколо своєї зірки всього за 30 годин.
Екзопланета заблокована припливами, так що її звернена до зірки денна сторона постійно нагрівається, а нічна сторона, навпаки, охолоджується.
"Гарячі юпітери відомі тим, що мають дуже яскраві денні сторони, але нічна сторона - зовсім інша справа. Нічна сторона WASP-121b приблизно в 10 разів тьмяніша, ніж її денна сторона ", - кажуть вчені.
Раніше астрономи виявили водяний пар і вивчили, як температура атмосфери змінюється з висотою на денному боці планети.
Нове дослідження дає набагато більш детальну картину. Дослідники змогли нанести на карту різкі зміни температури з денного на нічний бік і побачити, як ці температури змінюються з висотою.
Вони також відстежили присутність води в атмосфері, щоб вперше показати, як вода циркулює між денною і нічною сторонами планети.
У той час як на Землі в результаті кругообігу води вона спочатку випаровується, потім конденсується в хмари, а потім виливається дощем, на WASP-121b коловорот води набагато більш інтенсивний: на денному боці атоми, що складають воду, розриваються на частини при температурі вище 3000 ° Кельвіна.
Ці атоми забираються вітром на нічний бік, де нижчі температури дозволяють атомам водню і кисню рекомбінувати в молекули води, які потім забираються назад на денну сторону, де цикл починається знову.
Вчені підрахували, що кругообіг води на планеті підтримується вітрами, які женуть атоми навколо планети зі швидкістю до 5 кілометрів на секунду, або понад 17 500 км на годину.
Крім того, астрономи з'ясували, що не тільки вода циркулює по планеті. Вони виявили, що нічна сторона досить холодна, щоб вмістити екзотичні хмари заліза і корунду - мінералу, з якого складаються рубіни і сапфіри.
Ці хмари, подібно водяному пару, можуть переміщатися на денну сторону, де високі температури перетворюють метали на газоподібний стан. Дорогою може утворюватися екзотичний дощ, наприклад, краплі рідких дорогоцінних каменів з корундових хмар.
«Завдяки цьому спостереженню ми дійсно отримуємо глобальне уявлення про метеорологію екзопланети», - говорить Мікал-Еванс.
Мінлива характеристика води допомогла команді вчених скласти карту температурного профілю як денного, так і нічного боку. Вони виявили, що температура денного боку коливається від 2500 Кельвінів в найглибшому спостережуваному шарі до 3500 Кельвінів в самих верхніх шарах.
Температура на нічному боці коливається від 1800 Кельвінів у найглибшому шарі до 1500 Кельвінів у верхніх шарах атмосфери. Цікаво, що температурні профілі коливалися, підвищуючись з висотою на денному боці - «теплова інверсія» в метеорологічних термінах - і знижуючись з висотою на нічному боці.
Потім дослідники пропустили температурні карти через різні моделі, щоб визначити хімічні речовини, які, ймовірно, існують в атмосфері планети, враховуючи певні висоти і температури. Це моделювання виявило потенціал для металевих хмар, що складаються з таких металів як залізо, корунд і титан, на нічній стороні.
З карти температури вчені з'ясували, що найгарячіша область планети зміщена на схід від «зіркової» області безпосередньо під зіркою. Вони дійшли висновку, що це зміщення пов'язане з сильним вітром.
«Газ нагрівається в зірковій точці, але видувається на схід, перш ніж встигає повторно випромінюватися в космос», - пояснює Мікал-Еванс.
Судячи з розміру зрушення, вчені оцінюють швидкість вітру приблизно в 5 кілометрів на секунду і, ймовірно, можуть переміщати хмари по всій планеті приблизно за 20 годин.
Астрономи зарезервували час на космічному телескопі Джеймс Вебб для спостереження за WASP-121b наприкінці цього року і сподіваються скласти карту змін не тільки водяної пари, а й чадного газу, який, як підозрюють вчені, повинен перебувати в атмосфері.
Дослідження було опубліковано в журналі Nature Astronomy. Thomas Mikal-Evans, Diurnal variations in the stratosphere of the ultrahot giant exoplanet WASP-121b.