В опубликованном в журнале The Astrophysical Journal Letters исследовании учёные из Корнельского университета предположили, что кварцевые облака на экзопланетах класса «горячий Юпитер» могут преломлять свет так же, как ледяные кристаллы создают гало и «солнечных собак» в атмосфере Земли.
Исследование под руководством профессора Николье Льюис и докторанта Элайджи Малленса изучает возможность преломления звёздного света силикатными облаками на далёких планетах, таких как WASP-17 b. Это открытие может предложить учёным уникальный способ изучения инопланетных атмосфер и их динамики с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST).
Механизм преломления света: изучение кварцевых кристаллов в атмосферах «горячих Юпитеров»
Экстремальные условия на «горячих Юпитерах», подобных WASP-17 b, идеально подходят для образования кварцевых кристаллов в их атмосферах. Эти массивные газовые гиганты вращаются очень близко к своим звёздам, в результате чего температура на них поднимается выше 2 000 °F (примерно 1090 °C). В таких условиях обычные минералы, такие как силикаты, которые обычно встречаются в виде песка или кварца на Земле, испаряются в газы и поднимаются в атмосферу. На больших высотах эти газы конденсируются в микроскопические кристаллы, образуя высокие столбы кварцевых зёрен, которые выравниваются из-за высокоскоростных ветров, характерных для таких планет.
Эти выровненные кристаллы могут создавать оптические явления, подобные тем, что наблюдаются в атмосфере Земли, такие как гало, «солнечные собаки» и радужные столбы. «Точно так же, как выравнивание ледяных кристаллов в атмосфере Земли создаёт наблюдаемые явления, мы можем наблюдать выравнивание силикатных кристаллов на экзопланетах класса «горячий Юпитер», — сказал Малленс.
Когда свет от звезды проходит через атмосферу экзопланеты, он взаимодействует с этими кварцевыми кристаллами, заставляя свет преломляться и поляризоваться определёнными узорами. В результате могут появиться мерцающие дуги и смещённые пятна, видимые издалека, что даёт астрономам уникальный взгляд на атмосферные условия далёких экзопланет.
Последствия для исследований экзопланет
Это открытие не только предлагает эстетический взгляд на планеты, но и открывает новые возможности для понимания их атмосфер. Оптические эффекты, создаваемые кварцевыми кристаллами, не только красивы, но и информативны. Они могут рассказать учёным о динамике атмосферы планеты, такой как скорость ветра, наличие электрических или магнитных полей и типах химических процессов, происходящих в облаках.
Изучая взаимодействие кварцевых зёрен со звёздным светом, астрономы могут сделать выводы о сдвиге ветра, атмосферной турбулентности и наличии сил, которые выравнивают кристаллы. «Помимо того, что это красиво, эти эффекты могут научить нас тому, как кристаллы взаимодействуют в атмосфере», — сказал Малленс, подчеркнув научную ценность этих световых явлений.
Такие открытия жизненно важны для понимания не только погодных условий на экзопланетах класса «горячий Юпитер», но и потенциально климата меньших, каменистых миров, на которых может быть жизнь.
Космический телескоп Джеймса Уэбба и его роль в анализе выровненных кристаллов
Хотя JWST в основном работает в инфракрасном диапазоне, он способен обнаруживать спектральные и поляризационные сигнатуры выровненных кристаллов. Эти световые узоры предоставляют косвенные доказательства геометрии кристаллов, даже несмотря на то, что JWST не может напрямую фиксировать изображения этих далёких объектов.
Анализируя, как свет рассеивается и поляризуется выровненными кварцевыми зёрнами, учёные могут сделать выводы о структуре и свойствах атмосферы планеты. Этот косвенный метод изучения экзопланетных атмосфер имеет неоценимое значение для исследования далёких миров, которые находятся далеко за пределами досягаемости традиционных телескопов.
Новые представления об атмосферной химии: кварц как ключевой игрок
Одним из наиболее интересных аспектов этого исследования является понимание химии экзопланетных облаков. WASP-17 b, в частности, представляет новый тип состава атмосферы по сравнению с ледяными облаками Земли или железными и корундовыми облаками, обнаруженными на коричневых карликах.
Открытие того, что кварц может образовывать высотную дымку на «горячих Юпитерах», расширяет наше понимание химии облаков за пределы воды. Уникальные условия атмосфер «горячих Юпитеров», включая высокие температуры и быстрые ветры, позволяют образовывать кварцевые облака, которые могут быть невозможны на Земле.
Это открытие ставит под сомнение существующие модели формирования облаков в экзопланетных атмосферах и предполагает, что аналогичные процессы могут происходить на других планетах, включая меньшие, каменистые экзопланеты, вращающиеся вокруг красных карликов.
«Когда мы начали изучать атмосферы планет, в частности эти «горячие Юпитеры», мне пришло в голову, что со скоростями ветра в 10 000 миль в час, циркулирующими в этих очень плотных атмосферах, зёрна, безусловно, должны выравниваться», — сказала Льюис.
Эти облака — больше, чем просто визуальное зрелище; они могут предоставить важную информацию о физических и химических процессах, происходящих в этих инопланетных атмосферах.