Астрономы нашли экзопланету, где идут железные дожди

На планете WASP-76b идут железные дожди — такое открытие сделала международная команда астрономов из 19 научных институтов. Астрономы использовали новый инструмент ESPRESSO, установленный на Очень большом телескопе (VLT) в Чили, чтобы получить спектр гигантской экзопланеты, и обнаружили в нем пары железа, поднимающиеся на вечерней стороне планеты. Астроном Марат Мусин рассказывает о том, как из этих данных удалось восстановить картину погоды на WASP-76b и на что похож этот необычный мир.

Четыре года назад у ничем не примечательной звезды WASP-76 в созвездии Рыб обнаружили экзопланету. Тоже ничем не примечательную — газовый гигант чуть легче Юпитера, вращается очень быстро и близко от своей звезды, год длится всего 1,8 земных дня. Ее автоматически назвали WASP-76b. Вторая строчная буква латинского алфавита указывает, что в той звездной системе это второе открытое небесное тело после, собственно, самой звезды.

Конечно, 30 лет назад существование подобных планет никто не мог себе представить — все теоретические модели формирования экзопланет были основаны на нашей Солнечной системе и гигантские планеты предполагалось обнаруживать на орбитах Сатурна, Юпитера или Урана. Но к 2016 году благодаря таким телескопам, как «Кеплер» и SuperWASP, их находили уже пачками. На сегодняшний день обнаружены 4135 экзопланет, из них 11,5% — горячие Юпитеры.

Удивительные открытия начались, когда на эту удобную для наблюдений, сравнительно близкую к нам экзопланету направили Очень большой телескоп с установленным на нем новым спектрографом ESPRESSO (Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations — Эшелле-спектрограф для каменных экзопланет и надежных спектроскопических наблюдений). «Эшелле» здесь — это не часть зловещего заклинания, а дифракционная решетка в виде лесенки (от фр. échelle), которая позволяет «раздвигать» спектр объекта, отодвигая друг от друга сливающиеся спектральные линии, что значительно облегчает их идентификацию и анализ. Этот спектрограф начал работать два года назад и стал незаменимым инструментом для определения малейших сдвигов звезды (вплоть до 0,35 км/ч), вызванных гравитационным влиянием еще не открытой новой экзопланеты.

Однако этот же спектрограф оказался отличным прибором для изучения и уже известных планет — осенью 2018 года команда астрономов под руководством профессора Женевского университета Давида Эренрайха провела два сеанса наблюдений, используя один из четырех восьмиметровых телескопов VLT, и обнаружила в спектре WASP-76b сильные линии железа.

Само по себе это ни о чем не говорит — железо есть и на Солнце. Но характер линий был крайне необычным: это были линии поглощения (значит, их источник — расплавленный метал в атмосфере планеты) и во время прохода планеты по диску звезды они были сдвинуты относительно лабораторных значений в голубую область спектра, что согласно эффекту Доплера означало, что линии двигаются к нам, причем двигаются быстрее, чем сама планета.

Ученые интерпретируют эти наблюдения следующим образом: сторона планеты, которая повернута к звезде, нагревается до 2400 градусов Цельсия — температуры, которой достаточно для того, чтобы железо не только расплавилось, но и испарилось, распалось на атомы и попало с поверхности планеты в атмосферу.

На вечно темной стороне намного холоднее, а это значит, что у терминатора, то есть на границе между ночью и днем, параллельно экватору дуют сильнейшие ветра, которые несутся с востока на запад, огибая планету. Когда телескоп изучает проходящую по диску звезды планету, к нему обращена ее ночная сторона и ветры дуют с солнечной стороны в нашу сторону, перенося пары железа на темную сторону. Этот ветер и создает то самое наблюдаемое телескопом голубое смещение линий железа. Обогнув ночную сторону, ветер снова вылетает на дневную, где его опять можно увидеть в телескоп — и в этом случае в его спектре уже нет паров железа. Это значит, что они остыли, сконденсировались и пролились вниз дождем из металлических капель.

Такой удивительно красивый результат был получен при наблюдении этой системы в телескоп всего в течение 15 минут — и его нужно рассматривать в том числе как яркую демонстрацию возможностей современных инструментов.

Исследования группы Эренрайха впервые позволили обнаружить планету, где так радикально меняется химический состав атмосферы. Они должны помочь и в изучении схожих экзопланет. Наличие подобных линий железа в их атмосферах даст в будущем четкие пределы температуры атмосфер и поможет установить изменения погоды на этих планетах.

Источник