Астрономы объединили данные наблюдений «Хаббла» за горячей экзопланетой-газовым гигантом за несколько лет и обнаружили, что от сеанса к сеансу «погода» на планете меняется. Наблюдений космических телескопов вместе с алгоритмами математического моделирования и обработки сигналов теперь может оказаться достаточным для обнаружения ураганов и циклонов на удалённой планете — для начала на экзопланетах, похожих на Юпитер.
Наблюдения за планетами Солнечной системы показывают, что их атмосфера (там, где она присутствует) находится в постоянном движении так же, как это происходит на Земле. Больше того, на планетах с густой атмосферой, таких, как Юпитер или Венера, характерны ураганы, намного более масштабные, чем на Земле. То же самое должно происходить и на планетах возле других звёзд, в частности, на газовых гигантах. Возможности исследования атмосфер экзопланет пока ограничены. Космические телескопы вроде телескопа Джеймса Уэбба умеют определять их химический состав, но исследование атмосферных фронтов и циклонов на экзопланете — задача следующего уровня сложности. В новом исследовании в распоряжении планетологов были несколько серий наблюдений «Хаббла» за одной и той же звездой и её планетой на протяжении 2016-2019 годов. Это позволило показать существование атмосферной циркуляции на экзопланете и связать рисунки атмосферных фронтов с условиями на планете, в частности, с нагревом от её звезды и собственным вращением.
WASP-121 — звезда, похожая на Солнце на расстоянии 850 световых лет. Она видна в южном небе в созвездии Кормы (Puppis) со звёздной величиной +10,4. Звезда имеет официальное собственное имя Дилмун. Известна одна её экзопланета с обозначением WASP-121 b, тоже с собственным именем Тилос — газовый гигант размером примерно с Юпитер, который находится очень близко к звезде так, что период обращения составляет чуть больше суток. Такие планеты называют «горячими юпитерами» и они исторически были первыми открытыми экзопланетами в силу того, что их легче всего обнаружить. Система WASP-121 неплохо изучена, в частности, у её экзопланеты в 2017 году впервые обнаружили стратосферу со следами молекул воды — верхний слой атмосферы, в котором температура растёт с высотой. Обозначение указывает на обзор WASP (Wide Angle Search for Planets), при помощи которого в 2015 году была открыта планета.
Планета WASP-121 b находится очень близко от своей звезды, и период обращения вокруг звезды составляет 30 часов. На таком расстоянии планета должна находиться в приливном захвате, то есть вращаться так, что к звезде обращено всегда одно полушарие — так же, как Луна всё время обращена одной стороной к Земле. Температура на «дневной» стороне превышает 2000 K. Исследователи использовали архивные данные наблюдений «Хаббла» за этой звёздной системой. Полный набор доступных данных включает наблюдение за транзитом планеты на фоне звезды (июнь 2016 года), захождение планеты за звезду в ноябре 2016 года, или вторичное затмение, а также кривые яркости, то есть зависимость яркости планеты от её «фазы» при наблюдении с Земли — эти данные получены в марте 2018 и феврале 2019 года. Статья об исследовании атмосферных вихрей на планете выходит в начале 2024 года в Astrophysical Journal Supplement Series.
Ни один телескоп пока не может рассмотреть диск экзопланеты в деталях. Это невозможно и у большинства звёзд (исключение — очень крупные звёзды на умеренных расстояниях типа Бетельгейзе, у которой действительно можно разглядеть структуру диска). Звёзды для телескопа — это точечные объекты, и максимум, что можно сделать — снять спектр их излучения в разные моменты времени. В большей степени это применимо к атмосфере экзопланеты. Мы не видим планеты даже как точки, но можем зафиксировать только небольшое падение яркости звезды в доли процента в момент прохождения планеты на её фоне. Такие графики называются световыми кривыми звезды. Спектр атмосферы экзопланеты получают, вычитая сигналы от звезды без экзопланеты и в момент её прохождения по диску. Проделав такую операцию для разных фаз экзопланеты — положений по отношению к линии от звезды к наблюдателю на Земле, можно сравнить состав атмосферы в разных областях планеты. Например, атмосферу на ночной стороне получаем, наблюдая планету при прохождении прямо перед звездой — к наблюдателю она как раз обращена тёмной стороной. Спектр в «первой» и «последней четверти» (по аналогии с освещённым диском Луны) даёт представление о том, что происходит на стороне, обращённой к звезде. Но исследовать распределение атмосферных потоков в зависимости от координат, так, чтобы разглядеть на экзопланете циклон, как на Юпитере, пока нельзя. Результаты наблюдений и обработки сигнала дополняют компьютерным моделированием атмосферных вихрей на разной высоте — с тем, чтобы математические модели на основе уравнений газовой динамики давали усреднённые значения для всей атмосферы в соответствии с наблюдениями. Результаты такого моделирования атмосферы и показаны на рисунках.
Атмосфера экзопланеты WASP-121 b существенно изменялась от наблюдения к наблюдению. Оказалось что информации «Хаббла» достаточно, чтобы сделать выводы о мощных циклонах и атмосферных фронтах, которые постоянно образуются и исчезают из-за большой разницы температур на дневной и ночной стороне. Удалось установить, что самый горячий участок поверхности планеты смещён по отношению к области, непосредственно обращённой к звезде и мигрирует со временем. Также меняется химический состав атмосферы по данным спектроскопии. Такое поведение возможно из-за атмосферных вихрей особенно в верхних слоях атмосферы, аналогичных тем, которые наблюдают на газовых планетах Солнечной системы. Атмосферная циркуляция на планете также напоминает известные рисунки на наших планетах с плотной атмосферой.
Исследования с реконструкцией движения атмосферы возможны только для планет, по которым есть данные космического телескопа за несколько сеансов наблюдений. Такое случается достаточно редко, и согласованные данных для звезды WASP-121 в четырёх сеансах, разнесённых по времени — пока единственный доступный набор. В 31-м цикле наблюдений «Хаббла», который начался 1 декабря 2023 года, около 2/3 времени телескопа предназначено для фотографирования, а оставшаяся часть — для спектроскопических исследований, в том числе таких, которые были использованы и при наблюдениях за планетой Тилос/WASP-121 b. В будущем можно ожидать, что таких данных станет больше, а следующий шаг — поиск циклонов и атмосферных фронтов на планетах земного типа.
