Мы все смотрим прогноз погоды, чтобы узнать, будет ли хорошей погода в субботу и можно ли будет пойти на пляж, и расстраиваемся, когда наши планы рушатся из-за грозы — особенно если, как и я, вы живёте в Мельбурне. Без претензий к метеорологам, погода на Земле — это переменчивая штука.
Но сейчас телескопы стали настолько совершенными, что астрономы могут определить погоду на планетах, находящихся за сотни световых лет от нас.
Ранее в этом месяце в журнале Nature появилась статья, в которой сообщалось, что на гигантской газовой экзопланете в системе YSES-1 обнаружены гигантские облака, в которых идёт дождь не из воды, а из грубого песка, богатого силикатами.
Изображение системы YSES-1, полученное с помощью инструмента SPHERE на Очень большом телескопе ESO. Впервые астрономы напрямую наблюдали более одной планеты, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце. Источник: ESO/Bohn et al. (CC BY 4.0).
Эта система находится примерно в 300 световых годах от Земли.
Чтобы разобраться в науке, стоящей за погодой на экзопланетах, издание Cosmos пообщалось с Девикой Камат, звёздным астрофизиком и старшим преподавателем кафедры астрономии и астрофизики в Университете Маккуори в Австралии.
Экстремальная погода на молодых и горячих планетах
«Облака, богатые минералами, на экзопланетах отличаются от облаков, которые мы видим, — отмечает Камат. — Они состоят не из воды, а из конденсированных минералов — твёрдых частиц, содержащих такие соединения, как силикаты, железо, оксиды алюминия, оксид титана».
Камат говорит, что такие облака с минералами обычно встречаются на горячих экзопланетах, которые вращаются вокруг молодых звёзд на ранних этапах формирования планетной системы звезды — эти планеты часто называют «горячими Юпитерами».
Камат объясняет, что эти минералы конденсируются из очень горячих атмосфер. Обычно такие горячие атмосферы встречаются у гигантских экзопланет, которые всё ещё очень молоды и горячи, поэтому у них было не так много времени для эволюции.
«Подобно тому как водяной пар на Земле конденсируется в дождь, на этих экзопланетах все эти распылённые минералы и породы в конечном итоге конденсируются в своего рода «дождь», только он будет состоять не из воды, а из таких веществ, как силикаты и железо», — добавляет она.
Разнообразие жизни на экзопланетах
«Экстремальная погода — это железный дождь, бури из минеральной пыли и экстремальная турбулентность в верхних слоях атмосферы. Так что это не то, что вы можете найти, к счастью, на Земле», — шутит Камат.
Камат говорит, что на других экзопланетах в дождях обнаружены всевозможные минералы, включая стекло и корунд — кристаллическую форму оксида алюминия, встречающуюся в рубинах и сапфирах.
Считается, что на экзопланете HAT-P-7 b, находящейся на расстоянии 1 040 световых лет от Земли, идёт дождь из рубинов и сапфиров.
«Я думаю, очень интересно наблюдать, как на разных экзопланетах в облаках встречаются разные минералы, — говорит Камат. — Несмотря на то что все они молодые и горячие «Юпитеры», в химии этих облаков наблюдается разнообразие, что говорит о том, что всё дело в том, как формируются эти планеты… как формируется родительская звезда».
«Вместе с облаками, богатыми минералами, вы получаете очень, очень сильные ветры», — говорит Камат. «Речь идёт о сверхзвуковых ветрах со скоростью до 70 000 километров в час. Это также было обнаружено на многих молодых горячих экзопланетах».
Камат отмечает, что даже в системе YSES-1 наблюдается разнообразие. Она не участвовала в исследовании, опубликованном в Nature.
«В этой системе на одной из экзопланет есть минеральное облако. У другой, похожей по возрасту и размеру, нет облака, но есть небольшой околопланетный диск. Так что это довольно разнообразная система», — говорит Камат.
Химические сигнатуры
Но как астрономы смотрят на пятнышки на ночном небе и определяют вид минерального дождя на экзопланетах, находящихся за сотни световых лет?
Камат объясняет, что это сочетание технологий и химии.
Свет от далёких звёзд достигает телескопов на Земле или в космосе. Цвет света содержит информацию о том, какие химические вещества находятся в этой системе. Эти цветовые карты называются абсорбционными спектрами.
«Абсорбционные спектры характерны для всех химических элементов, потому что они по-разному поглощают свет, — объясняет Камат. — У каждого химического вещества, будь то элементарный переход, например, чистый кальций или сера, цинк и т. д., или молекула, например, оксид титана, оксид алюминия, у каждого из них есть длина волны света, на которой они обычно проявляются. Если это молекула, то это обычно не одиночная спектральная линия, а полоса в абсорбционном спектре».
«Например, особенность поглощения силикатов — это широкая полоса поглощения, начинающаяся на 9 микрометрах и заканчивающаяся примерно на 11 микрометрах», — поясняет Камат.
Собственные исследования Камат сосредоточены на происхождении химических элементов, которые образуются в ядрах звёзд, прежде чем эти звёзды погибнут и могут оказаться в новых звёздных системах в дисках, из которых формируются планеты.
Глаза в небе — на короткое время
«Мы получили джекпот с космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST)», — говорит Камат.
Система YSES-1 была изучена с использованием данных JWST.
«Каждый телескоп работает в разных частях электромагнитного (светового) спектра. Вы можете представить себе наши глаза как оптические детекторы, видящие всё, что излучает энергию в оптических длинах волн. Это диапазон цветов», — объясняет Камат.
«Но если вы хотите рассмотреть пыль, вы не сможете увидеть её в оптическом спектре. Нужно перейти в инфракрасный диапазон. Когда вы изучаете в инфракрасном диапазоне, вы смотрите на свет, исходящий от звезды или молодой планеты, затем он поглощается пылью и затем рассеивается от пыли. Свет, идущий в пыль, доходит до вас с энергией, которая имеет сигнатуры химии пыли. JWST обладает разрешением и инструментами, которые достигают пика в дальнем и ближнем инфракрасных диапазонах, чтобы сделать это», — говорит Камат.
«У нас не так много инструментов, которые охватывали бы такой диапазон длин волн с таким разрешением, как JWST, так что такое открытие было бы невозможно 5 лет назад», — добавляет Камат.
Камат отмечает, что получить время для использования JWST для исследования конкретных объектов — это кропотливый процесс. Но награда того стоит.
«JWST очень дорогой. Мы пытались получить время на него почти 4 года. На четвёртый год мы получили немного времени. При этом было подано 5 предложений, и только 1 получило время. Так что это довольно конкурентно», — говорит она.