Кристаллы льда в атмосфере Земли иногда выстраиваются так, что создают различные поразительные визуальные эффекты: от гало вокруг Луны до ярких пятен, называемых солнечными собаками, по обе стороны от солнца на зимнем небе, или радужного столба, называемого вспышкой короны, над грозовым облаком.
Подобные явления могут наблюдаться на небе некоторых экзопланет типа «горячий Юпитер» — распространённого типа газовых гигантов, которые всегда вращаются близко к своей звезде-хозяину. Астрономы из Корнелла обнаружили это. На экзопланете WASP 17b, «горячем Юпитере», ветры со скоростью 10 000 миль в час могут выравнивать частицы в облаках, состоящих из кварца и других кристаллических минеральных аэрозолей, создавая условия, в которых поляризующая пыль может взаимодействовать со светом звезды так же, как выровненные кристаллы льда взаимодействуют с солнечным светом на Земле.
«Подобно тому, как выравнивание кристаллов льда в атмосфере Земли создаёт наблюдаемые явления, мы можем наблюдать выравнивание силикатных кристаллов на экзопланетах типа „горячий Юпитер“», — сказал Элайджа Малленс, докторант по астрономии и соавтор исследования.
Статья «Silicate Sundogs: Probing the Effects of Grain Directionality in Exoplanet Observations» опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters. В статье Малленс и соавтор Никоle Льюис, доцент астрономии в Колледже искусств и наук, предполагают, что в атмосфере этой экзопланеты есть условия, при которых ветер может выравнивать силикатные кристаллы — процесс, называемый механическим выравниванием, — создавая визуальные эффекты.
Идея механического выравнивания была выдвинута в 1952 году профессором астрономии Корнелла Томми Голдом для объяснения того, что выравнивает пыль в межзвёздной среде (МЗС), сказала Льюис. Голд предположил, что движение газа выравнивает частицы пыли, как если бы на них дул ветер. Его теория механического выравнивания утратила популярность в отношении частиц пыли в МЗС; исследователи теперь говорят, что более вероятно, что магнитные поля и радиационные крутящие моменты, при которых звёздный свет нагревает одну сторону, заставляют частицы выравниваться.
«Теперь мы видим, что предложение 1952 года не работает для межзвёздной среды, но, вероятно, работает для экзопланеты „горячий Юпитер“, очень горячей планетарной атмосферы с высокоскоростными ветрами», — сказала Льюис, эксперт в области динамики атмосфер этих экзопланет. «Когда мы начали изучать планетарные атмосферы, в частности, эти горячие Юпитеры, мне пришло в голову, что при скорости ветра 10 000 миль в час, дующего в этих очень плотных атмосферах, зёрна, несомненно, выровняются».
Льюис и Малленс пришли к этой идее, когда оба были в команде, которая использовала космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для обнаружения доказательств наличия нанокристаллов кварца в высокогорных облаках WASP-17 b, «горячего Юпитера» экзопланеты в 1300 световых годах от Земли, о чём сообщалось в 2023 году.
«Мы не ожидали увидеть кристаллы кварца в атмосфере горячего Юпитера, — сказала Льюис. — Мы предсказывали нечто совершенно другое».
Кристаллы кварца крошечные: размером в 10 нанометров, 10 000 таких кристаллов могут уместиться бок о бок на волосе человека. Они имеют вытянутую форму, похожую на лодки, сказал Малленс. В ветре кристаллы ведут себя как группа лодок на реке с сильным течением.
«Если вы поместите кучу этих кристаллов в очень сильные ветры, подобные тем, которые мы ожидаем на горячих Юпитерах, они будут выравниваться по ветру, как лодки в течении», — сказал он.
Но даже если они не выровнены горизонтально по ветру, как предложено в этой статье, сказал Малленс, кристаллы могут быть расположены каким-то образом — возможно, вертикально, или с помощью электрических полей, или даже случайным образом — что создаёт визуальные эффекты от взаимодействия со светом от звезды.
Исследователи могут увидеть эти эффекты с помощью JWST, инфракрасного телескопа. Они не могут фотографировать WASP 17b, потому что она находится так далеко, сказала Льюис, но «если бы мы могли сделать снимок WASP 17b в оптических длинах волн и разрешить диск планеты, мы бы увидели эти типы особенностей солнечных собак».
И на Земле, и на экзопланете визуальные эффекты многое рассказывают о том, что происходит в атмосфере, сказал Малленс.
«Помимо того, что они красивы, эти эффекты могут научить нас тому, как кристаллы взаимодействуют в атмосфере. Это действительно богатое информацией явление, как и на Земле, где атмосферные условия должны быть определёнными, чтобы они были горизонтально ориентированы для создания солнечной собаки», — сказал он. «Если мы увидим нечто подобное на горячем Юпитере, мы сможем узнать что-то о том, как кристаллы взаимодействуют с локальными силами».
Малленс вскоре продолжит изучать направленность частиц на WASP 17b; он является главным исследователем в предложении о дальнейших наблюдениях за экзопланетой, принятом JWST на следующий год.
Предоставлено Корнельским университетом.