Международная группа астрономов совершила крупный прорыв с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб». Ученым впервые удалось непрерывно наблюдать за газом, покидающим атмосферу экзопланеты, на протяжении полного оборота вокруг ее звезды. Результаты наблюдений оказались неожиданными – газовый гигант WASP-121b окружен не одним, а двумя гигантскими потоками гелия, которые простираются более чем на половину его орбиты. Исследование, проведенное специалистами из Женевского университета, Национального центра исследований PlanetS и Монреальского университета, опубликовано в журнале Nature Communications.
WASP-121b относится к классу планет, известных как «ультрагорячие юпитеры». Эти массивные газовые гиганты вращаются чрезвычайно близко к своим звездам, и WASP-121b совершает полный оборот всего за 30 часов. Из-за такой близости интенсивное излучение звезды нагревает атмосферу планеты до нескольких тысяч градусов. При столь экстремальном нагреве легкие элементы, такие как водород и гелий, могут вырываться из гравитационного поля планеты и улетучиваться в космос. За миллионы лет эта постоянная потеря атмосферного вещества может существенно изменить размер, состав и долгосрочную эволюцию планеты.
До сих пор астрономы могли изучать утечку атмосферы только во время коротких планетарных транзитов – кратких моментов, когда планета проходит на фоне диска своей звезды с точки зрения земного наблюдателя. Такие «снимки» длились всего несколько часов и предоставляли ограниченную информацию. Без непрерывного мониторинга ученые не могли определить, как далеко простирается убегающий газ и как его структура меняется с течением времени. Используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона NIRISS на борту «Джеймса Уэбба», исследовательская группа наблюдала за WASP-121b почти 37 часов подряд, охватив более одного полного витка планеты по орбите.
Измеряя, как гелий поглощает инфракрасный свет, исследователи обнаружили, что газ вокруг WASP-121b распространяется далеко за пределы самой планеты. Что еще более поразительно – гелий образует не единый поток, а разделяется на два отчетливых хвоста. Один тянется за планетой, отталкиваемый звездным излучением и ветрами. Другой изгибается впереди планеты, вероятно, притягиваемый гравитацией звезды. Вместе эти газовые потоки простираются на расстояние, более чем в 100 раз превышающее диаметр планеты, и в три раза больше дистанции от планеты до ее звезды.
«Мы были невероятно удивлены, увидев, как долго продолжается утечка гелия, – объясняет Ромен Аллар, ведущий автор статьи. – Это открытие раскрывает сложность физических процессов, которые формируют атмосферы экзопланет и их взаимодействие со звездной средой. Мы только начинаем открывать истинную сложность этих миров».
Существующие численные модели, разработанные в Женевском университете, успешно описывают простые, кометоподобные газовые хвосты, но они с трудом воспроизводят двойную структуру, наблюдаемую у WASP-121b. «Это открытие указывает на то, что структура этих потоков является результатом воздействия как гравитации, так и звездных ветров, что делает необходимым создание нового поколения 3D-симуляций для анализа их физики», – поясняет соавтор исследования Янн Картере.
Гелий стал одним из самых эффективных инструментов для отслеживания утечки атмосферы, и чувствительность «Джеймса Уэбба» теперь позволяет обнаруживать его на беспрецедентных расстояниях. Будущие наблюдения помогут определить, является ли двойная структура хвоста, замеченная у WASP-121b, редким или обычным явлением среди горячих экзопланет. «Очень часто новые наблюдения выявляют ограничения наших численных моделей и подталкивают нас к исследованию новых физических механизмов для дальнейшего понимания этих далеких миров», – заключает соавтор работы Венсан Буррье.
