Астрономы создают облачный атлас для горячих, похожих на Юпитер экзопланет
AstroNews.ru - 26 Мая 2020 22:28:11
Гигантские планеты в нашей солнечной системе и летающие вокруг других звезд имеют экзотические облака, непохожие на что-либо на Земле, а газовые гиганты, вращающиеся вокруг своих звезд - так называемые горячие Юпитеры - могут похвастаться самыми экстремальными.
Команда астрономов из США, Канады и Англии придумала модель, которая предсказывает, какой из многих типов предлагаемых облаков, от сапфирового до дымчатого метанового тумана, следует ожидать на горячих Юпитерах с различными температурами, вплоть до тысяч градусов Кельвина.
Удивительно, но наиболее распространенный тип облаков, ожидаемый в большом диапазоне температур, должен состоять из жидких или твердых капель кремния и кислорода, таких как расплавленный кварц или расплавленный песок. На более холодных горячих Юпитерах, с температурой ниже примерно 950° К (1250° Фаренгейт), в небе преобладает углеводородная дымка, по существу смог.
Эта модель поможет астрономам изучать газы в атмосферах этих странных и далеких миров, поскольку облака мешают измерениям состава атмосферы. Это также может помочь планетологам понять атмосферу более холодных планет-гигантов и их спутников, таких как Юпитер и спутник Сатурна Титан в нашей собственной Солнечной системе.
"Виды облаков, которые могут существовать в этих горячих атмосферах, - это вещи, которые мы на самом деле не считаем облаками в Солнечной системе", - сказал Питер Гао, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, который является первым автором статьи, описывающей модель, появившуюся 25 мая в журнале Nature Astronomy. "Были модели, которые предсказывают различные составы, но смысл этого исследования состоял в том, чтобы оценить, какой из этих составов действительно имеет значение, и сравнить модель с имеющимися у нас данными."
Это исследование использует преимущества бума, произошедшего за последнее десятилетие в изучении атмосферы экзопланет. Хотя экзопланеты слишком далекие и тусклые объекты, чтобы быть видимыми, многие телескопы - в частности, космический телескоп Хаббл - способен фокусироваться на звездах и улавливать звездный свет, проходящий через атмосферу планет, когда они проходят перед своими звездами. Поглощенные волны света, обнаруженные спектроскопическими измерениями, говорят астрономам, какие элементы составляют атмосферу. На сегодняшний день этот метод и другие методы обнаружили или предположили наличие воды, метана, окиси углерода и двуокиси углерода, газов калия и натрия, а также, на самых горячих из планет, испаренных оксидов алюминия, железа и титана.
Но в то время как некоторые планеты, по-видимому, имеют прозрачную атмосферу и четкие спектроскопические характеристики, многие имеют облака, которые полностью блокируют просачивающийся звездный свет, препятствуя изучению газов под верхними слоями облаков. Состав газов может рассказать астрономам, как формируются экзопланеты и присутствуют ли строительные блоки жизни вокруг других звезд.
"Мы обнаружили много облаков: некоторые виды частиц - не молекулы, а маленькие капельки - которые висят в этих атмосферах", - сказал Гао. "Мы действительно не знаем, из чего они сделаны, но они загрязняют наши наблюдения, существенно затрудняя нам проводить оценку состава и содержания важных молекул, таких как вода и метан."
Рубиновые облака
Чтобы объяснить эти наблюдения, астрономы предложили множество странных типов облаков, состоящих из оксидов алюминия, таких как корунд, вещество рубинов и сапфиров; расплавленной соли, такой как хлорид калия; оксидов кремния или силикатов, таких как кварц, основной компонент песка; сульфидов марганца или цинка, которые существуют в виде горных пород на Земле; и органических углеводородных соединений. Облака могут быть жидкими или твердыми аэрозолями, сказал Гао.
Гао адаптировал компьютерные модели, первоначально созданные для водяных облаков Земли, а затем распространил их на облачные атмосферы таких планет, как Юпитер, где есть облака аммиака и метана. Он расширил модель еще дальше, до гораздо более высоких температур, наблюдаемых на горячих газовых планетах-гигантах - до 2800° К или 2500° С, где элементы, вероятно, конденсируются в облака при этих температурах.
Модель учитывает, как газы различных атомов или молекул конденсируются в капли, как эти капли растут или испаряются и могут ли они переноситься в атмосфере ветрами или восходящими потоками или опускаться под действием силы тяжести.
"Идея состоит в том, что одни и те же физические принципы управляют формированием всех типов облаков", - сказал Гао, который также смоделировал сернокислотные облака на Венере. То, что я сделал, это взял эту модель и принес ее в остальную часть галактики, сделав ее способной имитировать силикатные, железные и соляные облака."
Затем он сравнил свои прогнозы с имеющимися данными о 30 экзопланетах из общего числа около 70 экзопланет с записанными на сегодняшний день спектрами пропускания.
Модель показала, что многие из экзотических облаков, предложенных в течение многих лет, трудно сформировать, потому что энергия, необходимая для конденсации газов, слишком высока. Однако силикатные облака легко конденсируются и доминируют в диапазоне температур примерно от 900° до 2000° Кельвинов.
Согласно модели, в самых жарких атмосферах оксиды алюминия и титана конденсируются в высокоуровневые облака. На экзопланетах с более прохладной атмосферой эти облака формируются глубже и затемняются более высокими силикатными облаками. На еще более холодных экзопланетах эти силикатные облака также формируются глубже в атмосфере, оставляя прозрачные верхние слои атмосферы. При еще более низких температурах ультрафиолетовый свет от звезды экзопланеты превращает органические молекулы, такие как метан, в чрезвычайно длинные углеводородные цепи, которые образуют высокоуровневую дымку, похожую на смог. Этот смог может затмить лежащие ниже соляные облака хлорида калия или натрия.
Для тех астрономов, которые ищут безоблачную планету, чтобы легче было изучать газы в атмосфере, Гао предложил сосредоточиться на планетах между с температурами от 900° до 1400° К или на тех, которые горячее, чем 2200° К.
«Присутствие облаков было обнаружено в ряде атмосфер экзопланет и раньше, но именно тогда, когда мы смотрим на большой массив данных, мы можем выделить физику и химию в атмосферах этих миров, - говорит соавтор Ханна Уэйкфорд, астрофизик из Бристольского университета в Великобритании. Будет действительно захватывающе, когда мы сможем впервые измерить спектральные сигнатуры самих облаков с помощью нового космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST)».
Будущие наблюдения, такие как те, что будут сделаны с помощью JWST НАСА, запланированному к запуску в течение нескольких лет. Он должен быть в состоянии подтвердить эти прогнозы и, возможно, пролить свет на скрытые облачные покровы планет ближе к нашему дому. Гао сказал, что подобные экзотические облака могут существовать на глубине внутри Юпитера или Сатурна, где температура близка к той, что наблюдается на горячих Юпитерах.
«Поскольку существуют тысячи экзопланет против всего лишь одного Юпитера, мы можем изучить их кучу и посмотреть, каков средний показатель и как он соотносится с Юпитером», - сказал Гао.
Он и его коллеги планируют проверить модель на основе данных наблюдений с других экзопланет, а также с коричневых карликов, которые в основном являются газовыми гигантами, настолько массивными, что они почти звезды. У них тоже есть облака.
«При изучении атмосфер планет Солнечной системы мы обычно имеем дело с контекстом изображений. С экзопланетами нам так не везет. Это просто точки или тени», - сказал Джонатан Фортни из Калифорнийского университета Санта-Крус. «Это огромная потеря информации. Но мы должны восполнить это гораздо большим размером выборки. И это позволяет нам искать тренды, то, чего у нас нет в нашей солнечной системе».