Почему телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил погоду с дождями из рубинов и сапфиров?

Представьте себе мир, где вечернее небо раскалено настолько, что молекулы воды распадаются на части, где дуют ветры со скоростью 17 700 километров в час и где с наступлением темноты могут проливаться дожди из жидких рубинов и сапфиров. Это не научная фантастика, а свежий прогноз погоды для WASP-121b, ультрагорячего юпитера, находящегося примерно в 880 световых годах от Земли, представленный сегодня космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST).

WASP-121b относится к классу экзопланет, известных как ультрагорячие юпитеры — это газовые гиганты, которые вращаются настолько близко к своим родительским звездам, что их год можно измерять часами, а не днями. Полный оборот этот мир совершает всего за 30,5 часов, находясь в условиях столь экстремального воздействия, что гравитация звезды исказила форму планеты, превратив ее из сферы в эллипсоид, похожий на мяч для регби. Дневная сторона, постоянно обращенная к пылающей звезде, разогревается до температур выше 2 500 Кельвинов — этого достаточно не только для испарения металлов, таких как железо и магний, но и для разрушения молекул, которые обычно отличаются высокой стабильностью.

Поскольку WASP-121b всегда обращена к звезде одной стороной, одно полушарие купается в вечном дневном свете, а другое пребывает в вечной ночи. Предыдущие наблюдения с помощью космического телескопа «Хаббл» уже намекали на утечку магния и железа, а теоретические исследования предполагали, что железо может конденсироваться и выпадать в виде осадков на более прохладной ночной стороне. Однако, помимо этих общих представлений, динамика атмосферы планеты оставалась по большей части загадкой — «черным ящиком» метеорологии в условиях, которые не способна воспроизвести ни одна планета нашей Солнечной системы.

Как космический телескоп «Джеймс Уэбб» считывает погоду на планетах

Метод, лежащий в основе данного исследования — трансмиссионная спектроскопия. Этот инструмент уже два десятилетия является рабочей «лошадкой» в изучении экзопланет, но с появлением JWST он обрел невероятную точность. Когда планета проходит перед своей звездой, крошечная доля звездного света проникает сквозь ее верхние слои атмосферы. Молекулы, присутствующие там, поглощают свет на определенных длинах волн, оставляя «химический отпечаток» в спектре, который мы получаем. Сравнивая спектры, полученные во время транзита, со спектрами, когда планета находится вне поля зрения, астрономы могут определить, какие газы присутствуют в атмосфере.

Значимость этого подхода выходит далеко за рамки изучения одного экзотического мира. Если технология докажет свою надежность, астрономы в конечном итоге смогут применять ее к меньшим и более холодным планетам, возможно, даже к каменистым мирам, чтобы составлять карты облачности, скорости ветра и температурных контрастов. На данный момент WASP-121b служит экспериментальной площадкой, и полученные результаты одновременно поразительны и на удивление согласованы.

Рассвет и закат в мире испаренного металла

Ключевым открытием стало то, что вечерний терминатор (линия, разделяющая день и ночь) горячее утреннего. Например, спектральный сигнал водяного пара был слабее на вечерней стороне, что свидетельствует о том, что атмосфера там настолько горячая, что молекулы воды разрушаются — диссоциируют на водород и кислород — прежде чем успевают поглотить свет. Напротив, утренний терминатор показал более выраженный сигнал воды, что подразумевает более прохладную среду, где вода может сохраняться, по крайней мере некоторое время.

Монооксид углерода подтвердил эту картину. Его линии поглощения также менялись, что согласуется с температурным градиентом, порождающим мощную циркуляцию: сверхзвуковые ветры со скоростью около 17 700 километров в час переносят тепло с испепеляющей дневной стороны на ночное полушарие. Исследование предполагает, что на утренней стороне даже могут существовать облака из силикатных минералов — по сути, это испаренная горная порода, конденсировавшаяся в крошечные частицы, — которые могут частично перекрывать обзор более глубоких слоев. «Потребуются более сложные модели, чтобы подтвердить, действительно ли присутствуют такие облака», — предостерегают авторы, но асимметрия не вызывает сомнений.

Гипотеза о дожде из драгоценных камней: от пара до кристалла

Популярное представление о WASP-121b как о месте, где идут дожди из рубинов и сапфиров, основано на правдоподобной химии, а не на прямых визуальных доказательствах. Рубины и сапфиры — это разновидности минерала корунда (оксида алюминия), где примеси хрома и железа придают рубину красный цвет, а титан и железо создают синий цвет сапфира. Чтобы такие кристаллы образовались в атмосфере планеты, необходимы три условия: источник алюминия, достаточное количество кислорода и резкое падение температуры, чтобы пар мог сконденсироваться в твердые зерна.

WASP-121b, по-видимому, соответствует всем трем требованиям. Ее дневная сторона достаточно горяча, чтобы испарять соединения алюминия, а спектры предыдущих наблюдений «Хаббла» показали, что тяжелые элементы присутствуют и в некоторых случаях полностью покидают планету. По мере того как газ перемещается с дневной стороны на ночную, он охлаждается, и в какой-то момент оксид алюминия должен конденсироваться. Если охлаждение происходит медленно в относительно спокойном регионе, кристаллы могут расти, и если эти кристаллы подхватываются конвекцией или опускаются под действием гравитации, они могут проливаться в виде сверкающих осадков. Эта идея была впервые предложена в 2020 году для других ультрагорячих юпитеров, и новые данные JWST — демонстрирующие резкий температурный контраст и наличие переносящих тепло ветров — усиливают этот аргумент, даже если они не могут подтвердить, что «драгоценный дождь» действительно идет.

В данном исследовании ученые не обнаружили оксид алюминия напрямую, и остается вероятность того, что температурный профиль или химическое перемешивание препятствуют росту кристаллов. Тем не менее измеренные условия согласуются с гипотезой, и будущие наблюдения, возможно, с помощью инструмента MIRI на борту JWST, смогут найти характерные спектральные признаки зерен корунда. На данный момент дождь из драгоценных камней — это лишь убедительный вывод, а не подтвержденное наблюдение.

Космическая погода в иных мирах

Когда ученые говорят о космической погоде на экзопланетах, они обычно имеют в виду не геомагнитные бури или солнечные вспышки, а более широкую атмосферную динамику — ветры, облака, температурные градиенты и химические циклы, которые определяют метеорологический характер планеты. Способность JWST картографировать асимметрию терминатора на WASP-121b является формой мониторинга космической погоды и расширяет инструментарий для изучения миров, условия на которых совершенно чужды нашему пониманию.

На Земле космическая погода означает солнечный ветер и корональные выбросы массы; на Марсе она включает пылевые бури и потерю атмосферы. Для горячего юпитера космическая погода — это взаимодействие экстремального излучения и мощных «тепловых двигателей», которые вызывают сверхзвуковые ветры и экзотическую конденсацию. Метод, продемонстрированный Гаппом и его коллегами, можно применять к другим планетам для измерения их продольных температурных профилей, выявления струйных течений и даже отслеживания сезонных изменений, если только планета не настолько горяча, что сигнал становится неразличимым.

Эта работа имеет и практическое значение. Понимание того, как атмосфера ведет себя под воздействием экстремальных сил, помогает совершенствовать климатические модели как для экзопланет, так и для самой Земли. Та же физика, которая управляет циркуляцией тепла на WASP-121b — реакция на неравномерный нагрев, роль облаков и молекулярной диссоциации — проявляется и в нашей стратосфере, хотя и при совершенно других температурах. Вселенная в этом смысле является лабораторией атмосферных крайностей, а JWST — новым спектрометром на рабочем столе.

Новая линза для экстремального климата

Команда признает, что для полной интерпретации данных потребуются более сложные модели, учитывающие трехмерную циркуляцию, микрофизику облаков и диссоциацию молекул. И намек на наличие утренних облаков, если он подтвердится, станет первым обнаружением силикатных облаков на ультрагорячем юпитере с помощью JWST, открывая еще одно окно в физику конденсации в экстремальных условиях.

Для планеты, совершающей оборот вокруг своей звезды всего за день с небольшим, темпы открытий были на удивление медленными — ироничное свидетельство того, насколько сложно наблюдать миры, находящиеся в сотнях световых лет от нас. Но ситуация меняется. С каждым новым транзитом JWST приоткрывает завесу над WASP-121b, и прогноз, каким бы чуждым он ни казался, начинает походить на настоящий свод погоды: жарко, ветрено, с вероятностью выпадения жидких драгоценных камней.

Инструменты стали настолько совершенными, что воображению скоро придется за ними поспевать.

Источники

• Nature Astronomy (научная статья: Gapp et al., «Longitudinal atmospheric structure of the ultra-hot Jupiter WASP-121b from JWST»)
• Пресс-материалы Института астрономии Общества Макса Планка
• Институт науки об экзопланетах NASA (запись о WASP-121b)