«Зефир» экзопланеты WASP-121b: новые данные

Художественное представление горячего Юпитера Автор: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani

В качестве участника программы с метким названием «Жарка зефира» Питер Смит, аспирант Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона, изучает химию атмосферы горячих и сверхгорячих Юпитеров, чтобы узнать больше о протопланетных дисках, из которых они образовались.

В этой программе используется инфракрасный спектрограф с иммерсионной решеткой (IGRINS) на телескопе Gemini South в Чили, входящем в состав Международной обсерватории Gemini, которой управляет NSF NOIRLab.

Недавно команда наблюдала за известным газовым гигантом WASP-121b, и их наблюдения открыли нечто неожиданное в истории его формирования. Их исследование представлено в статье, опубликованной в The Astronomical Journal.

Планетная система формируется из так называемого протопланетного диска — вращающегося диска, содержащего смесь каменистого и ледяного материала. Каменистые материалы, такие как железо, магний и кремний, легко существуют в затвердевшем состоянии и требуют экстремальных уровней тепла для испарения в газ, тогда как ледяные материалы, такие как вода, метан, аммиак и окись углерода, легко испаряются и требуют очень низких температур для конденсации.

Из-за разных температурных порогов каменистые и ледяные материалы внутри диска распределяются по градиенту, варьируясь от твердого до газообразного состояния в зависимости от расстояния от звезды.

В результате астрономы могут искать следы этих элементов в составе планет и их атмосфер, рассчитывать соотношение каменистого и ледяного материала и определять, на каком расстоянии от своей звезды образовалась планета.

Измерение этого отношения обычно требует множественных наблюдений, используя один инструмент, чувствительный к видимому свету, для обнаружения твердых каменистых элементов, и другой, чувствительный к инфракрасному свету, для обнаружения газообразных ледяных элементов. Но поскольку WASP-121b является сверхгорячим Юпитером с экстремальными температурами, оба материала испаряются в атмосферу и обнаруживаются с высоким спектральным разрешением IGRINS.

На этой иллюстрации показано, как каменистые и ледяные материалы рассеиваются в градиенте внутри протопланетного диска звезды из-за их различных температурных порогов. Автор: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Благодаря этим наблюдениям Смит и его команда впервые продемонстрировали измерение соотношения камня и льда для транзитной планеты с использованием одного прибора.

Эта уникальная возможность, предоставляемая IGRINS, устраняет потенциальные ошибки, вызванные инструментальными различиями, и указывает на оптимистичный путь дальнейшего развития химического анализа экзопланет.

«Наземные данные, полученные с помощью спутника Gemini South с использованием IGRINS, на самом деле позволили сделать более точные измерения содержания отдельных химических веществ, чем это могли бы сделать даже космические телескопы», — говорит Смит.

Спектроскопические данные показывают, что WASP-121b имеет высокое отношение камня ко льду, что указывает на то, что он аккрецировал избыток каменистого материала во время своего формирования. Это говорит о том, что планета образовалась в области протопланетного диска, где было слишком жарко для конденсации льда, что является удивительным открытием, поскольку обычно считается, что газовым гигантам для формирования нужны твердые льды.

«Наши измерения означают, что, возможно, эту типичную точку зрения следует пересмотреть, а наши модели формирования планет — пересмотреть», — говорит Смит.

Смит и его команда также обнаружили замечательные характеристики атмосферы WASP-121b. «Климат этой планеты экстремальный и совсем не похож на земной», — говорит он.

Дневная сторона планеты настолько горячая, что элементы, которые обычно считаются «металлами», испаряются в атмосферу, что делает их обнаруживаемыми с помощью спектроскопии. Сильные ветры уносят эти металлы на постоянную ночную сторону планеты, где достаточно прохладно для того, чтобы они конденсировались и выпадали дождем — эффект, который наблюдался на WASP-121b в виде кальциевого дождя.

«Чувствительность наших приборов достигает точки, когда мы можем использовать эти элементы для исследования различных регионов, высот и долгот, чтобы увидеть такие тонкости, как скорость ветра, показывая, насколько динамична эта планета», — говорит Смит.

IGRINS был гостевым инструментом на телескопе Gemini South, когда Смит наблюдал WASP-121b в 2022 и 2023 годах. С тех пор он покинул телескоп, чтобы вернуться в свое родное учреждение. Инструмент был настолько успешным, что его новая версия — IGRINS-2 — была заказана для телескопа Gemini North на Гавайях и сейчас находится на этапе научной калибровки.

Смит называет IGRINS основным фактором в подробных измерениях атмосферы WASP-121b, проведенных его командой, и с нетерпением ждет возможности распространить эти исследования на другие экзопланетные системы с помощью IGRINS-2.

Создание более крупного образца горячих и сверхгорячих атмосфер Юпитера позволит ученым уточнить свои знания о формировании гигантских планет.

Больше информации: Peter CB Smith et al, The Roasting Marshmallows Program with IGRINS on Gemini South. II. WASP-121 b has Superstellar C/O and Refractory-to-volatile Ratios, The Astronomical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-3881/ad8574

Источник: National Science Foundation