16.06.2023. - Астрономы внимательно изучают раскаленную экзопланету

Астрономы внимательно изучают раскаленную экзопланету

Международная команда под руководством Стефана Пеллетье, доктора философии. Студент Института исследований экзопланет Троттье Университета Монреаля подробно изучил чрезвычайно горячую гигантскую экзопланету WASP-76 b. Используя инструмент MAROON-X на телескопе Gemini-North, команда смогла определить и измерить содержание 11 химических элементов в атмосфере планеты. К ним относятся породообразующие элементы, содержание которых неизвестно даже для планет-гигантов Солнечной системы, таких как Юпитер или Сатурн. Исследование команды опубликовано в журнале Nature. «Поистине редки случаи, когда экзопланета, находящаяся в сотнях световых лет от нас, может научить нас чему-то, что в противном случае было бы невозможно узнать о нашей Солнечной системе», — сказал Пеллетье. «Это случай с этим исследованием». WASP-76 b — странный мир. Он достигает экстремальных температур, потому что находится очень близко к своей родительской звезде, массивной звезде, удаленной на 634 световых года в созвездии Рыб: примерно в 12 раз ближе, чем Меркурий к Солнцу. Имея массу, подобную массе Юпитера, но почти в шесть раз большую по объему, он довольно «пухлый».

С момента его открытия в рамках программы «Широкоугольный поиск планет» (WASP) в 2013 году многие команды изучали его и идентифицировали различные элементы в его атмосфере. Примечательно, что в исследовании, также опубликованном в журнале Nature в марте 2020 года, команда обнаружила железную сигнатуру и выдвинула гипотезу о том, что на планете может быть железный дождь. Зная об этих исследованиях, Пеллетье решил провести новые независимые наблюдения WASP-76 b с использованием оптического спектрографа высокого разрешения MAROON-X на 8-метровом телескопе Gemini-North на Гавайях, входящем в состав Международной обсерватории Gemini. управляется NOIRLab NSF. «Мы поняли, что новый мощный спектрограф MAROON-X позволит нам изучить химический состав WASP-76 b с беспрецедентным для любой планеты-гиганта уровнем детализации», — говорит профессор астрономии UdeM Бьорн Беннеке, соавтор исследования и Доктор философии Стефана Пеллетье. научный руководитель.

Содержание почти всех элементов периодической таблицы в пределах Солнца известно с большой точностью. Однако на планетах-гигантах в нашей Солнечной системе это верно только для горстки элементов, состав которых остается плохо определенным. И это затруднило понимание механизмов формирования этих планет. Так как он находится так близко к своей звезде, WASP-76 b имеет температуру значительно выше 2000°C. При этих градусах многие элементы, которые обычно образуют горные породы здесь, на Земле (например, магний и железо), испаряются и присутствуют в газообразной форме в верхних слоях атмосферы. Изучение этой своеобразной планеты позволяет получить беспрецедентное представление о наличии и обилии породообразующих элементов на планетах-гигантах, поскольку на более холодных планетах-гигантах, таких как Юпитер, эти элементы находятся ниже в атмосфере и их невозможно обнаружить. Обилие многих элементов, измеренных Пеллетье и его командой в атмосфере экзопланеты, таких как марганец, хром, магний, ванадий, барий и кальций, очень точно соответствует содержанию в ее родительской звезде, а также в нашем собственном Солнце.

Эти содержания не случайны: они являются прямым продуктом Большого взрыва, за которым последовали миллиарды лет звездного нуклеосинтеза, поэтому ученые измеряют примерно одинаковый состав у всех звезд. Однако он отличается от состава каменистых планет, таких как Земля, которые сформированы более сложным образом. Результаты этого нового исследования показывают, что планеты-гиганты могут сохранять общий состав, отражающий состав протопланетного диска, из которого они образовались. Однако другие элементы на планете были истощены по сравнению со звездой — результат, который Пеллетье нашел особенно интересным. «Эти элементы, которые, по-видимому, отсутствуют в атмосфере WASP-76 b, — это как раз те элементы, для испарения которых требуются более высокие температуры, такие как титан и алюминий», — сказал он. «Между тем те, которые соответствовали нашим прогнозам, такие как марганец, ванадий или кальций, испаряются при несколько более низких температурах».

Интерпретация группы исследователей заключается в том, что наблюдаемый состав верхних атмосфер планет-гигантов может быть чрезвычайно чувствителен к температуре. В зависимости от температуры конденсации элемента он будет находиться в газообразной форме и присутствовать в верхней части атмосферы или конденсироваться в жидкой форме, где он опустится в более глубокие слои. В газовой форме он играет важную роль в поглощении света, и его можно увидеть в наблюдениях астрономов. В конденсированном виде астрономы не могут его обнаружить и полностью исчезают из их наблюдений. «Если это открытие подтвердится, это будет означать, что две гигантские экзопланеты, температура которых немного отличается друг от друга, могут иметь очень разные атмосферы», — сказал Пеллетье. «Что-то вроде двух горшков с водой, одна с температурой -1°C, замороженная, а другая с температурой +1°C, жидкая. Например, кальций наблюдается на WASP-76 b, но его может не быть на немного более холодная планета».

Еще одним интересным открытием группы Пеллетье является обнаружение молекулы, называемой оксидом ванадия. Это первый раз, когда он был однозначно обнаружен на экзопланете и представляет большой интерес для астрономов, поскольку они знают, что он может оказать большое влияние на горячие планеты-гиганты. «Эта молекула играет роль, аналогичную озону в атмосфере Земли: она чрезвычайно эффективно нагревает верхние слои атмосферы», — пояснил Пеллетье. «Это приводит к тому, что температура увеличивается в зависимости от высоты, а не снижается, как это обычно наблюдается на более холодных планетах». Одного элемента, никеля, в атмосфере экзопланеты явно больше, чем ожидали астрономы. Многие гипотезы могли бы объяснить это; во-первых, WASP-76 b мог аккрецировать материал с планеты, похожей на Меркурий. В нашей Солнечной системе небольшая каменистая планета обогащена такими металлами, как никель, из-за того, как она образовалась. Команда Пеллетье также обнаружила, что асимметрия в поглощении железа между восточным и западным полушариями WASP-76 b, о которой сообщалось в предыдущих исследованиях, также присутствует для многих других элементов.

Это означает, что основное явление, вызывающее это, вероятно, является глобальным процессом, таким как разница в температуре или наличие облаков на одной стороне планеты, но не на другой, а не в результате конденсации в жидкую форму, как предполагалось ранее. Пеллетье и его команда очень хотят узнать больше об этой экзопланете и других сверхгорячих планетах-гигантах, отчасти для того, чтобы подтвердить свою гипотезу о совершенно разных атмосферах, которые могут преобладать на планетах, немного различающихся по температуре. Они также надеются, что другие исследователи будут использовать то, что они узнали об этой гигантской экзопланете, и применят их, чтобы лучше понять наши собственные планеты Солнечной системы и то, как они появились. «Поколения исследователей использовали Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, измеренные содержания водорода и гелия, для сравнения теорий формирования газообразных планет», — сказал Беннеке. «Точно так же измерения более тяжелых элементов, таких как кальций или магний, на WASP-76 b помогут лучше понять образование газообразных планет. «Окись ванадия и резкое начало холодовой ловушки на гигантской экзопланете» была опубликована 14 июня 2023 года в журнале Nature.

Источник