Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» впервые надежно обнаружил в атмосфере экзопланеты облака из титаната кальция. Они наблюдались на дневной стороне ультрагорячего юпитера WASP-121b, где также были найдены монооксиды кремния, титана и ванадия.
Ультрагорячие юпитеры — это газовые экзогиганты на короткопериодных (менее трех суток) орбитах, для которых температура на дневной стороне может превышать три тысячи кельвинов, приближаясь к температуре фотосферы некоторых звезд. Подобные экзопланеты удобны как для поиска, так и для наблюдения за атмосферой, что позволяет изучать экстремальные процессы во внешних оболочках тел планетарных масштабов. В частности, в атмосферах подобных экзопланет встречаются мощные ветра, обеспечивающие глобальную циркуляцию, и способны возникать дожди и облака из металлов и их оксидов. Кроме того, понимание состава атмосфер ультрагорячих юпитеров играет ключевую роль в проверках моделей их формирования, так как подобные объекты вряд ли сформировались на своих текущих орбитах.
Суман Саха (Suman Saha) и Джеймс Дженкинс (James S. Jenkins) из Университета Диего Порталеса в Чили опубликовали результаты анализа спектроскопических наблюдений в 2022 и 2023 годах за ультрагорячим юпитером WASP-121b при помощи инструментов NIRISS и NIRSpec «Джеймса Уэбба». Наблюдения охватывали как транзиты экзопланеты по диску звезды, так и вторичные затмения (экзопланета проходит позади звезды). Благодаря этому получен спектр излучения атмосферы с большим соотношением сигнал/шум в диапазоне длин волн от 0,6 до 5 микрометров.
Родительская звезда экзопланеты WASP-121b относится к типу F6V и находится в 850 световых годах от Солнца. В 2016 году у нее на орбите с периодом почти 31 час был обнаружен экзогигант, ставший шестым представителем редкого типа экстремальных ультрагорячих юпитеров. Равновесная температура дневной стороны экзопланеты, находящейся в приливном захвате, составляет 2358 кельвин, а ее атмосфера сильно раздута — радиус WASP-121b оценивается в 20,9 радиуса Земли. Предыдущие наблюдения за ней позволили обнаружить стратосферу и измерить ее температуру. Также астрофизики впервые нашли монооксид кремния в атмосфере.
Наиболее подходящие под данные наблюдений модели химического состава атмосферы, которые подбирались как в рамках равновесных, так и свободных реакций, позволяют утверждать о статистически значимом (на уровне от 4 до 16 сигм) обнаружении в ней водяного пара, угарного газа, монооксидов кремния, титана и ванадия. Возможно также наличие синильной кислоты, однако этот результат нуждается в подтверждении. Кроме того, можно говорить о заметном присутствии облаков на дневной стороне экзопланеты, в составе которых обнаруживается (на уровне 6,69 сигмы) титанат кальция, известный на Земле как перовскит и предсказанный теориями тугоплавкий компонент облаков на ультрагорячих экзопланетах. Таким образом, WASP-121b стал вторым известным ультрагорячим юпитером, в атмосфере которого были однозначно найдены облака.
Исследователи также отмечают, что атмосферное содержание монооксида титана, выведенное в рамках модели равновесной химии, больше, чем значение, получаемое в рамках модели свободной химии. Это говорит в пользу идеи о том, что это тугоплавкое вещество истощается в атмосфере за счет конденсации облаков. Измеренные соотношения C/O и Si/O, а также новая оценка металличности атмосферы на уровне 4,7 больше солнечной, по мнению ученых, говорит о применимости модели миграции экзогиганта ближе к звезде после формирования или о фотоиспарении атмосферы на дневной стороне.
Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.
Автор: Александр Войтюк