Аннотация:
Астрономы впервые использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА, чтобы составить карту пространственного распределения края атмосферы далекой гигантской экзопланеты с беспрецедентной детализацией. Наблюдения показали, что атмосфера этой планеты под названием WASP-17b неравномерно распределена по планете, но демонстрирует очевидные различия формы в разных областях. Среди них атмосфера на вечерней стороне планеты простирается дальше наружу, а температура значительно выше, чем на утренней стороне.
Это исследование проводилось совместно исследователями из Корнелльского университета в США и Бристольского университета в Великобритании, а результаты были опубликованы в журнале Nature Astronomy 14 октября 2026 года. Исследовательская группа использовала новую технологию под названием «струны передачи» для анализа звездного света, который проходит через край атмосферы планеты, когда он проходит перед звездой, тем самым разделяя атмосферную информацию, которая в прошлом обычно объединялась в разные места. Этот результат не только раскрывает асимметричную структуру атмосферы WASP-17b, но и открывает новый способ построения карт погоды далеких планет в будущем.
WASP-17b находится на расстоянии около 1300 световых лет от Земли и представляет собой разновидность того, что астрономы называют «горячим Юпитером». Такие планеты обычно представляют собой громоздкие газовые гиганты, но, в отличие от Юпитера в Солнечной системе, они вращаются очень близко к своим родительским звездам и поэтому нагреваются интенсивным звездным излучением.
Размер WASP-17b особенно привлекает внимание. Его диаметр почти в два раза больше Юпитера, но его масса лишь примерно вдвое меньше Юпитера. Из-за чрезвычайно расширенной атмосферы средняя температура атмосферы планеты составляет около 1500 градусов по Цельсию. Чтобы совершить оборот вокруг родительской звезды, требуется всего около 3,7 земных дней. Экстремальные орбитальные условия делают его атмосферу совершенно отличной от атмосферы планет Солнечной системы.
У этой планеты есть еще одна особенность: она подвержена эффекту приливной блокировки и всегда обращена одной и той же стороной к своей родительской звезде. Поэтому половина планеты постоянно освещена звездой, а другая половина постоянно находится во тьме. Несмотря на то, что сама планета не проходит полный цикл день-ночь, как Земля, ее атмосфера все равно может переносить тепло с дневной стороны на ночную посредством сильных ветров.
Исследователи обнаружили, что этот перенос тепла создает значительные различия в атмосфере планеты между ранним утром и вечером. Вечерняя сторона, расположенная на стыке дня и ночи, имеет значительно более высокую температуру из-за влияния теплового потока воздуха с дневной стороны, а также атмосфера расширяется наружу. Напротив, атмосфера на утренней стороне становится прохладнее по мере прохождения через более прохладную ночную область, что в целом делает ее более сжатой.
По измерениям исследовательской группы, температура атмосферы на утренней стороне WASP-17b составляет около 590 градусов Цельсия, а на вечерней стороне достигает около 1250 градусов Цельсия. Разница между ними составляет около 660 градусов по Цельсию или около 1200 градусов по Фаренгейту. Атмосфера на вечерней стороне простирается наружу примерно в 1,8 раза больше, чем на утренней стороне.
Эту разницу легко не заметить, если взглянуть только на общий контур планеты. В прошлом, когда астрономы анализировали изменения света, вызванные пересечением экзопланет перед своими звездами, они обычно аппроксимировали край атмосферы вокруг планеты как кольцо с одинаковым радиусом, а затем объединяли спектральные сигналы по всему кольцу. Это эффективно анализирует состав атмосферы планеты, но может маскировать различия в температуре и структуре между регионами.
Новый метод, используемый в этом исследовании, меняет этот подход. Вместо того, чтобы предполагать, что край атмосферы планеты везде имеет одинаковый радиус, исследователи пытаются измерить расстояние от центра планеты до внешнего края атмосферы по отдельности, чтобы реконструировать форму атмосферы в разных направлениях.
Технику, разработанную астрофизиками Дэвидом Грантом и Ханной Уэйкфорд из Бристольского университета, исследователи называют «пропускающими струнами», также известную как технология транзитного картирования. Этот метод использует изменения света, когда планета проходит перед звездой, для анализа сигналов из разных регионов на краю атмосферы.
Когда экзопланета проходит перед своей родительской звездой, часть света, излучаемого звездой, проходит через внешнюю атмосферу планеты и затем достигает Земли. Различные молекулы газа в атмосфере поглощают свет определенных длин волн, поэтому, анализируя изменения звездного света на разных длинах волн, исследователи могут сделать вывод, какие материалы содержатся в атмосфере и как эти материалы распределяются в разных местах.
В то же время, если где-то атмосфера горячее, расширение газа приведет к его расширению наружу. Измеряя это изменение, исследователи могут определить фактическую протяженность атмосферы планеты в разных направлениях, а не просто усреднять все кольцо.
Для проведения анализа исследовательская группа использовала данные наблюдений, полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба в марте 2023 года. В наблюдениях использовались три инструмента, охватывающие несколько диапазонов длин волн: от ближнего видимого света до среднего инфракрасного. Чтобы завершить анализ, исследователям необходимо обработать данные 24 полос отдельно. Подгоночный расчет каждой полосы требует большого количества вычислительных ресурсов. Для анализа одной полосы требуется около 40 вычислительных ядер для непрерывной работы в течение двух недель.
После сложной обработки данных исследовательская группа наконец получила спектральную информацию под разными углами на краю атмосферы планеты и реконструировала ее неравномерную пространственную структуру.
Результаты показывают, что вблизи экватора планеты существует мощная атмосферная струя, переносящая тепло со стороны, которая постоянно освещена, на другую сторону, которая постоянно находится во тьме. Из-за направления атмосферной циркуляции и вращения планеты вечерняя сторона сохраняет больше тепла от дневной и поэтому более горячая и расширенная, чем утренняя.
Стоит отметить, что этот вывод полностью согласуется с предыдущими предсказаниями исследователей, сделанными на основе теоретических расчетов и компьютерного моделирования. Первоначально исследовательская группа ожидала, что горячие Юпитеры, такие как WASP-17b, будут иметь значительную разницу температур между утренней и вечерней областями, и это наблюдение подтвердило это суждение.
Лили Олдерсон, главный руководитель исследования в Корнельском университете, заявила, что этот результат доказывает, что атмосфера экзопланеты действительно является трехмерной системой со сложной пространственной структурой, а не просто однородным газовым слоем, который можно описать средней температурой или одним спектром. Непосредственная проверка теоретических предсказаний посредством наблюдений — это совершенно другое дело, чем полагаться исключительно на компьютерное моделирование для получения выводов.
Исследователи также проанализировали водяной пар и углекислый газ в атмосфере планеты. Результаты показывают, что эти два газа обычно равномерно распределяются на краю атмосферы планеты, что соответствует предыдущим компьютерным моделям. Однако поскольку атмосфера на вечерней стороне более расширена и спектральные сигналы, создаваемые газами, сильнее, исследователям легче измерить содержание родственных веществ на этой стороне.
Напротив, по-прежнему существует неопределенность в распределении облаков. Разные модели дали разные объяснения расположения облаков. Одна модель предполагает, что облака могут появляться в основном на более прохладной утренней стороне, в то время как части территории, простирающиеся от полюсов до вечерней стороны, относительно лишены облаков; другая модель не может однозначно определить конкретную природу облаков.
Исследователи отметили, что температуры в различных областях WASP-17b охватывают температурный диапазон, в котором могут образовываться силикатные и соляные облака. Поэтому в разных частях планеты могут существовать разные типы облаков. В будущем потребуются более точные наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне для дальнейшего определения состава и пространственного распределения этих облаков.
Кроме того, исследовательская группа в настоящее время в рамках анализа предполагает, что северное и южное полушария планеты имеют примерно симметричную структуру, что может быть неприменимо к другим экзопланетам. Диапазон длин волн в доступных наблюдениях может также маскировать более тонкие изменения на границах атмосферы. Поэтому, хотя это исследование и добилось важного прогресса, ученым все еще нужны дополнительные наблюдения для улучшения модели атмосферы планеты.
Исследователи полагают, что настоящая значимость этой работы заключается не только в том, чтобы обнаружить, что атмосфера планеты недостаточно симметрична, но и в том, чтобы доказать, что у астрономов появляется возможность изучать местную окружающую среду в различных областях далеких планет.
На данный момент астрономы подтвердили наличие более 6000 экзопланет, но люди все еще могут получить лишь ограниченную усредненную информацию об атмосферах большинства из них. Даже с помощью самых совершенных телескопов исследователям сложно напрямую отображать поверхности или облака этих далеких миров, поэтому их физические свойства часто можно сделать только косвенно через изменения спектра и яркости.
Новая технология передачи сигналов может разделять сигналы в разных местах на краю атмосферы планеты, что позволяет исследователям дополнительно изучать изменения температуры и химического состава от экватора до полюсов и с утра до вечера. Это означает, что в будущем ученые, как ожидается, постепенно перейдут от измерения средних характеристик атмосферы планеты к картированию более подробных трехмерных атмосферных структур.
Исследовательская группа заявила, что по мере того, как эта технология будет применяться к большему количеству экзопланет, астрономы смогут постепенно определять структуру воздушного потока, локальные изменения температуры и распределение облаков на разных широтах, а также могут даже изучать сильные штормы на далеких планетах в будущем.
Для WASP-17b, которая находится на расстоянии 1300 световых лет от Земли, это наблюдение выявило лишь часть ее сложной атмосферной системы. Но исследователи показали, что даже не имея прямого доступа к этим далеким мирам, они могут использовать тонкие изменения, оставляемые светом звезды, когда он проходит через атмосферу планеты, чтобы реконструировать невидимые погодные структуры внутри нее. Этот прогресс предоставляет новые инструменты наблюдения для будущих исследований климата, циркуляции и эволюции атмосферы экзопланет.
Комментарии