Źródło: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/V. Parmentier
Prognoza pogody dla odległych, gorących planet zwanych gorącymi jowiszami może brzmieć mniej więcej tak: Pochmurne noce i bezchmurne dni z temperaturą sięgającą nawet 1300 stopni Celsjusza.
Te tajemnicze światy znajdują się zdecydowanie za daleko, abyśmy mogli obserwować chmury w ich atmosferach. Najnowsze badania przeprowadzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Kepler oraz obejmujące różne techniki modelowania komputerowego pozwalają nam przypuszczać gdzie mogą pojawiać się chmury i z czego mogą się składać. Wyniki badań opublikowano w periodyku Astrophysical Journal (dostępne także tutaj: arXiv).
Gorące jowisze, pierwsze z tysięcy odkrytych dotąd egzoplanet w naszej galaktyce, krążą na tyle blisko swoich gwiazd macierzystych, że są bezustannie przez nie przypiekane. I choć taka informacja może nieco zniechęcać galaktycznych turystów, wyniki badań wskazują na znaczny postęp w rozumieniu struktury atmosfer egzoplanetarnych.
Niekończące się dni, niekończące się noce
Gorące jowisze to planety krążące wokół swoich gwiazd w rotacji synchronicznej, a to znaczy, że zawsze jedna strona jest stale oświetlona przez gwiazdę, a druga jest skąpana w permanentnej ciemności. W większości przypadków „dzienna strona” planety byłaby pozbawiona chmur, a „nocna strona” byłaby stale zachmurzona. Jedynie obszar pomiędzy tymi dwoma strefami planety byłby częściowo zachmurzony.
„Powstawanie chmur na takiej planecie może istotnie się różnić od tego co znamy z Układu Słonecznego,” mówi Vivien Parmentier, badaczka z Uniwersytetu Arizony w Tucson, główna autorka badania.
Rok na takiej planecie może trwać zaledwie kilka naszych ziemskich dni, a temperatura na „chłodniejszych” gorących jowiszach może utrzymywać się na poziomie 1300 stopni Celsjusza.
Jednak ekstremalne warunki panujące na gorących jowiszach sprzyjały naukowcom.
„Różnica w promieniowaniu pomiędzy dzienną, a nocną stroną planety znacznie upraszcza modelowanie atmosfery,” przyznaje Parmantier. „Model gorącego jowisza jest znacznie prostszy do stworzenia niż model naszego Jowisza.”
Naukowcy najpierw stworzyli różnorodne, wyidealizowane gorące jowisze, wykorzystując do tego modele cyrkulacji globalnej – prostsze wersje modeli komputerowych wykorzystywane do symulowania klimatu na Ziemi.
Następnie porównali modele z danymi zebranymi na temat gorących jowiszów przez teleskop Kepler. Kosmiczny teleskop Keplera, który aktualnie realizuje misję K2, został zaprojektowany do rejestrowania ekstremalnie małych spadków jasności gwiazdy gdy na tle jej tarczy przechodzi planeta (zjawisko tranzytu). Jednak w tym przypadku naukowcy skupili się na fazach planet lub zmianach strumienia promieniowania wywołanych przez poszczególne fazy planety (takie jak fazy Księżyca).
Dopasowanie modeli gorących jowiszów do krzywych fazowych prawdziwych gorących jowiszów pozwoliło na określenie, za które krzywe odpowiada ciepło planety, a za które światło odbite od chmur w atmosferze planety. Łącząc jedne dane z drugimi naukowcy byli w stanie stworzyć globalne modele zachmurzenia na tych planetach. Te dane z kolei pozwoliły uzyskać informacje o wiatrach i różnicy temperatur na badanych gorących jowiszach. Tuż przed tym jak gorętsze planety chowały się za swoimi gwiazdami – w swego rodzaju zaćmieniu – naukowcy dostrzegali nagły wzrost w optycznej krzywej zmian blasku planety oznaczający „gorącą plamę” po wschodniej stronie planety.
Na chłodniejszych planetach, taki sam błysk rejestrowany był tuż po tym jak planeta wychodziła zza tarczy swojej gwiazdy – tym razem po zachodniej stronie.
Wczesny błysk na gorętszych planetach wskazywał, że silne wiatry wypychają gorętszą, bezchmurną część atmosfery znajdującej się po dziennej stronie, na wschód. Podczas gdy na chłodniejszych planetach chmury łączą się ze sobą i odbijają więcej światła po chłodniejszej, zachodniej stronie planety.
„Uważamy, że zachodnia część dziennej strony planety jest bardziej zachmurzona niż wschodnia,” mówi Parmentier.
Choć ten schemat obserwowany był już wcześniej, to są to pierwsze badania, które obejmowały wszystkie gorące jowisze wykazujące taką aktywność.
To doprowadziło do kolejnego pionierskiego odkrycia. Dzięki temu, że udało się ustalić rozkład chmur na planecie, który jest bezpośrednio związany z temperaturą całej planety, naukowcy byli w stanie ustalić z czego prawdopodobnie składają się chmury.
Gorące jowisze są zdecydowanie za gorące na chmury składające się z pary wodnej znane z atmosfery ziemskiej. Zamiast tego, chmury na takich planetach powstają gdy egzotyczne opary kondensują się w minerały, związki chemiczne takie jak tlenek glinu, czy nawet metale, np. żelazo.
Zespół badaczy odkrył, że chmury z siarczku manganu mogą dominować na chłodniejszych gorących jowiszach, podczas gdy chmury krzemianowe mogą pojawiać się w wyższych temperaturach. Z czasem krzemiany opadają w formie deszczu do wnętrza planety znikając z obserwowanej atmosfery.
Innymi słowy, średnia temperatura planety, która zależy bezpośrednio od odległości od gwiazdy macierzystej, decyduje o tym jakie chmury mogą powstać w atmosferze.
„Skład chemiczny chmur zmienia się w zależności od temperatury planety,” mówi Parmentier.
Nowe wyniki wskazują, że chmury nie są jednorodnie rozmieszczone w atmosferach gorących jowiszów, co potwierdza wcześniejsze odkrycia naukowców pracujących na danych z Kosmicznego Teleskopu Spitzer, które wyraźnie wskazywały, że różne obszary gorących jowiszów charakteryzują się różnymi temperaturami.
Źródło: NASA