Группа астрономов из США, Канады и Великобритании разработала модель, которая предсказывает, какой из множества типов предлагаемых облаков, от сапфирового до дымного метанового тумана, можно ожидать на горячих юпитерах разной температуры, вплоть до тысячи градусов Кельвина.
Удивительно, но наиболее распространенный тип облака, ожидаемый в большом диапазоне температур, должен состоять из жидких или твердых капель кремния и кислорода, таких как расплавленный кварц или расплавленный песок. На более прохладных горячих Юпитерах, ниже 950 Кельвинов (1250 градусов по Фаренгейту), в небе преобладает углеводородная дымка, по сути, смог.
Модель поможет астрономам изучать газы в атмосферах этих странных и далеких миров, поскольку облака мешают измерениям состава атмосферы.
Это также может помочь планетологам понять атмосферы более холодных планет-гигантов и их спутников, таких как Юпитер и спутник Сатурна Титан в нашей солнечной системе.
«Типы облаков, которые могут существовать в этих горячих атмосферах, – это то, что мы на самом деле не воспринимаем как облака в Солнечной системе», – сказал Питер Гао, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, который является первым автором книги. статья с описанием модели, опубликованная 25 мая в журнале Nature Astronomy. «Существовали модели, которые предсказывают различные составы, но цель этого исследования заключалась в том, чтобы оценить, какой из этих составов действительно имеет значение, и сравнить модель с доступными данными, которые у нас есть."
В исследовании используется бум за последнее десятилетие в изучении атмосфер экзопланет. Хотя экзопланеты слишком далекие и тусклые, чтобы их можно было увидеть, многие телескопы, в частности космический телескоп Хаббл, могут фокусироваться на звездах и улавливать звездный свет, проходящий через атмосферы планет, когда они проходят перед своими звездами. Длины волн поглощаемого света, обнаруженные с помощью спектроскопических измерений, говорят астрономам, какие элементы составляют атмосферу. На сегодняшний день этот и другие методы обнаружили или сделали вывод о присутствии воды, метана, окиси углерода и углекислого газа, газов калия и натрия, а также, на самых горячих планетах, испарения оксида алюминия, железа и титана.
Но в то время как у некоторых планет, кажется, есть чистая атмосфера и ясные спектральные характеристики, у многих есть облака, которые полностью блокируют фильтрацию звездного света, препятствуя изучению газов под верхними слоями облаков. Состав газов может рассказать астрономам, как образуются экзопланеты и присутствуют ли строительные блоки жизни вокруг других звезд.
«Мы обнаружили множество облаков: некоторые виды частиц – не молекулы, а маленькие капли – которые висят в этих атмосферах», – сказал Гао. «Мы действительно не знаем, из чего они сделаны, но они загрязняют наши наблюдения, существенно затрудняя нам оценку состава и содержания важных молекул, таких как вода и метан."
Рубиновые облака
Чтобы объяснить эти наблюдения, астрономы предложили много странных типов облаков, состоящих из оксидов алюминия, таких как корунд, вещество из рубинов и сапфиров; расплав соли, такой как хлорид калия; оксиды кремния или силикаты, такие как кварц, основной компонент песка; сульфиды марганца или цинка, существующие на Земле в виде горных пород; и органические углеводородные соединения. По словам Гао, облака могут быть жидкими или твердыми аэрозолями.
Гао адаптировал компьютерные модели, первоначально созданные для водяных облаков Земли, а затем распространились на облачные атмосферы таких планет, как Юпитер, в которых есть облака аммиака и метана. Он расширил модель еще больше до гораздо более высоких температур, наблюдаемых на горячих газовых планетах-гигантах – до 2800 Кельвинов, или 4600 градусов по Фаренгейту (2500 градусов по Цельсию), – и элементов, которые могут конденсироваться в облака при этих температурах.
Модель учитывает, как газы различных атомов или молекул конденсируются в капли, как эти капли растут или испаряются и могут ли они переноситься в атмосфере ветром или восходящим потоком, или опускаться под действием силы тяжести.
«Идея состоит в том, что одни и те же физические принципы управляют формированием всех типов облаков», – сказал Гао, который также моделировал облака серной кислоты на Венере. "Я взял эту модель и представил ее остальной части галактики, чтобы она смоделировала силикатные облака, железные облака и соляные облака."
Затем он сравнил свои прогнозы с доступными данными о 30 экзопланет из в общей сложности около 70 транзитных экзопланет с записанными на сегодняшний день спектрами передачи.
Модель показала, что многие из экзотических облаков, предложенных на протяжении многих лет, трудно сформировать, потому что энергия, необходимая для конденсации газов, слишком высока. Однако силикатные облака легко конденсируются и преобладают в диапазоне температур 1200 градусов Кельвина: примерно от 900 до 2000 градусов Кельвина. Это диапазон около 2000 градусов по Фаренгейту.
Согласно модели, в самых горячих атмосферах оксиды алюминия и титана конденсируются в облака высокого уровня. На экзопланетах с более прохладной атмосферой эти облака формируются глубже в планете и закрываются более высокими силикатными облаками.
На еще более прохладных экзопланетах эти силикатные облака образуются глубже в атмосфере, оставляя чистые верхние слои атмосферы. При еще более низких температурах ультрафиолетовый свет звезды экзопланеты превращает органические молекулы, такие как метан, в чрезвычайно длинные углеводородные цепи, которые образуют высокоуровневую дымку, похожую на смог. Этот смог может скрывать расположенные ниже соляные облака хлорида калия или натрия.
Тем астрономам, которые ищут безоблачную планету для более легкого изучения газов в атмосфере, Гао предложил сосредоточить внимание на планетах с температурой от 900 до 1400 Кельвинов или более горячих, чем около 2200 Кельвинов.
«Присутствие облаков уже измерялось в нескольких атмосферах экзопланет и раньше, но когда мы вместе смотрим на большой образец, мы можем выделить физику и химию в атмосферах этих миров», – сказала соавтор Ханна Уэйкфорд. , астрофизик из Бристольского университета в США.K. «Доминирующие виды облаков так же распространены, как песок – по сути, это песок – и будет действительно интересно иметь возможность впервые измерить спектральные характеристики самих облаков с помощью будущего космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST)."
Будущие наблюдения, такие как JWST НАСА, запуск которых запланирован на несколько лет, должны подтвердить эти прогнозы и, возможно, пролить свет на скрытые облачные слои планет ближе к дому. Гао сказал, что подобные экзотические облака могут существовать на глубинах Юпитера или Сатурна, где температуры близки к температурам на горячих Юпитерах.
«Поскольку существуют тысячи экзопланет по сравнению с одним Юпитером, мы можем изучить их множество и посмотреть, каковы их средние значения и как они соотносятся с Юпитером», – сказал Гао.
Он и его коллеги планируют проверить модель на данных наблюдений с других экзопланет, а также с коричневыми карликами, которые в основном являются газовыми планетами-гигантами, настолько массивными, что они почти звезды. У них тоже есть облака.
"При изучении планетных атмосфер в Солнечной системе мы обычно имеем контекст изображений. У нас нет такой удачи с экзопланетами. Это просто точки или тени ", – сказал Джонатан Фортни из Калифорнийского университета в Санта-Круз. "Это огромная потеря информации.
Но мы должны компенсировать это гораздо большим размером выборки. И это позволяет нам искать тенденции – здесь, тенденцию облачности – с планетарной температурой, то, что мы просто не можем позволить себе роскошь в нашей солнечной системе."