6 Minutės
Maždaug už 880 šviesmečių nuo mūsų vienas iškaitintas dujų milžinas tiesiogine prasme išbyra dalį savo atmosferos į kosminę erdvę. Nauji Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) stebėjimai atskleidžia, kad egzoplaneta WASP-121b (pravardžiuojama Tylos) — itin karštas Jupiteris — palieka ne vieną, o dvi didžiules helio uodegas, užimančias beveik 60 proc. jos orbitos. Toks tęstinis atmosferos netekimo stebėjimas suteikia aiškiausią iki šiol vaizdą, kaip žvaigždės agresyvus spinduliavimas gali nuplėšti planetos atmosferą.
Kometos panašus reginys: ką iš tikrųjų pamatė JWST
WASP-121b yra ekstremalus pasaulis. Ji maždaug Jupiterio dydžio, bet taip arti savo žvaigždės, kad metai trunka vos apie 30 valandų; planeta nuolatos kepinama intensyvios žvaigždės spinduliuotės. Ši energija įkaitina viršutinę atmosferos dalį iki tūkstančių laipsnių ir stumia lengvesnes dujas, tokias kaip vandenilis ir helis, pasprukti į erdvę. Ankstesni stebėjimai astronomams jau rodė atmosferos netekimo požymius, dažniausiai kaip trumpalaikius signalus per planetos tranzitus prieš žvaigždę. Tačiau nauji JWST duomenys apima daugiau nei vieną pilną orbitą — beveik 37 tęstines valandas — todėl mokslininkai gali sekti netekimo procesą laike ir žymiai plačiau nagrinėti jo dinamiką.
Naudodami JWST artimojo infraraudonųjų spindulių vaizdintuvą ir bejuostį spektrografą NIRISS, tyrėjų komanda ieškojo helio absorbcijos linijų netoli infraraudonosios srities. Helio absorbcija yra patikimas atmosferinio srauto žymeklis, nes sužadinti helio atomai sugeria infraraudoną šviesą konkrečiais bangos ilgiais. Rezultatas — pastovi, didelio masto helio migla, užimanti beveik 60 proc. WASP-121b orbitos tako. Vietoje kompaktinio debesies, pasprunkanti dujų masė formuoja pailgintas struktūras — dvi atskiras uodegas — vieną kilpiančią už planetos, kitą besitęsiančią prieš planetos judėjimo kryptį orbitoje.
WASP-121b (Tylos) egzoplanetos ir jos žvaigždės iliustracija
Kodėl dvi uodegos kelia netikėtą mįslę
Dauguma atmosferos netekimo modelių prognozuoja vieną dujų srautą, formuojamą planetos judesio, žvaigždės spinduliuotės stūmos ir žvaigždžių vėjo dynamikos. WASP-121b dvi uodegos šį vaizdą komplikuoja. Užpakalinė uodega atitinka įprastas lūkesčius: žvaigždės spinduliuotė kartu su orbitaliniu judesiu išstumia medžiagą į planetos užnugarį, formuodama srautinį pėdsaką. Tačiau priešaky esanti uodega reiškia, kad dalis medžiagos yra tempiama arba nukreipiama planetos judėjimo kryptimi — galbūt žvaigždės traukos ir sudėtingų sąveikų su žvaigždžių vėju bei magnetiniais laukais rezultatas.
Vienmačiai (1D) ar supaprastinti trimačiai (3D) skaitmeniniai modeliai dažnai sunkiai reprodukuoja dvi dideles, ilgai išliekančias atskirtas uodegas tokia forma, kaip pastebėta JWST. Stebėjimai rodo sudėtingesnę trimačią geometriją: iš dieninės planetos pusės paleistos išsiplėtusios dujos įgauna pagreitį ir jonizuojamos žvaigždės fotonų, o paskui jų judėjimą formuoja konkuruojančios jėgos — žvaigždės spinduliuotė, trauka, žvaigždžių vėjas ir magnetiniai laukai. Helio struktūros kartu užima plotą, viršijantį daugiau nei 100 kartų planetos skersmenį, todėl tai yra vienas iš didžiausių tęstinių atmosferos netekimo aptikimų iki šiol.
Mokslinis kontekstas ir pasekmės planetų evoliucijai
Atmosferos netekimas yra svarbus, nes net lėti nutekėjimai, veikiantys milijonus ar milijardus metų, gali kardinaliai pakeisti planetą. Mažesnėms planetoms hidrogeno–helio sluoksnio praradimas gali paversti sub-Neptūną kieta superžeme. Milžiniškoms planetoms, tokioms kaip WASP-121b, masės netekimas gali pakeisti atmosferos cheminę sudėtį ir struktūrą, atskleisti gilesnius sluoksnius arba pakeisti matomus požymius — pvz., metalų garų debesis, spektrines linijas ir aukštas vėjo greičio zonas.
WASP-121b jau žinoma dėl egzotiškų orų reiškinių — išgaravusių metalų, rubino ir safyro atspalvių kondensatų bei žaibiškų srovių. Praplėstos helio uodegos prideda dar vieną sluoksnį: žvaigždės spinduliuotė ne tik formuoja viršutinę atmosferą, bet gali išmesti didelius kiekius lengvų dujų į žvaigždės aplinką. Suprasti šių dujų likimą — ar jos išsisklaido į žvaigždės aplinką, formuoja laikinas žvaigždės aplinkos struktūras, ar yra perdirbamos atgal į planetos sistemą — reikalauja kur kas sudėtingesnių trimačių magnetohidrodinaminių (MHD) ir radiacijos-hidrodinaminių modelių.
Ką prideda JWST stebėjimas
- Beprecedentė tęstinė stebėsena daugiau nei per vieną orbitą (>≈37 valandos) naudojant JWST NIRISS, leidžianti sekti atmosferos netekimą laike.
- Aiškus helio absorbcijos detektavimas, besitęsiantis per maždaug 60 proc. planetos orbitos, kas suteikia erdvės ir laiko dimensiją srautų analizėms.
- Dvi erdviškai atskiros helio uodegos, kurios kelia naujus klausimus apie žvaigždės ir planetos tarpusavio sąveikas, įskaitant magnetinius ir vėjo poveikius.
- Tiesioginiai stebėjimo apribojimai, reikalingi tolesnėms trimačiams modeliams ir skaitmeniniams testams apie atmosferos masės netekimą.
Ekspertų įžvalgos
„Šis stebėjimas pakeičia mūsų mąstymą apie atmosferos netekimą,“ sako Romain Allart iš Trottier Institute for Research on Exoplanets ir Université de Montréal, vadovavęs tyrimui. Jis pažymi, kad būtent tęstinė, visos orbitos stebėsena leido atskleisti struktūras, kurių trumpi tranzito epizodai tiesiog nepraleidžia.
Dr. Elena Ruiz, astrofizikė, nagrinėjanti žvaigždžių ir planetų sąveikas, komentuoja: „Dvi tokio masto helio uodegos prilygsta tam, kaip planeta palieka pirštų atspaudus aplink savo žvaigždę. Tai priverčia modeliuotojus vienu metu įtraukti 3D srautus, žvaigždės gravitaciją ir magnetinius efektus. JWST atvėrė langą į procesus, kurie nulemia, kaip planetos sensta, migruoja ir — ekstremaliais atvejais — yra nusluoksniuojamos iki jų branduolių.“
Šios nuomonės pabrėžia, kad stebėjimai ne tik patvirtina teorinius lūkesčius, bet ir atskleidžia naujas fenomenų kombinacijas, kurioms reikalingos pažangesnės modeliavimo priemonės ir tarpdisciplininės analizės.
Kiti žingsniai ir ateities perspektyvos
Tyrėjai naudos JWST rezultatus tobulindami simuliacijų kodus ir planuodami papildomus stebėjimus. Daugiaspektrinės kampanijos — derinant infraraudonųjų spindulių helio paieškas su ultravioletinėmis vandenilio ir metalų linijų stebėsenomis — leis žemėlapiuoti pilną pasprunkančių dujų sudėtį. Taip pat svarbu stebėti kitus itin karštus Jupiterius per visas jų orbitas, kad būtų galima nustatyti, ar dviejų uodegų morfologija yra reta anomalija, ar dažnas, bet anksčiau nepastebėtas intensyvių žvaigždės–planetos sąveikų rezultatas.
Be to, būtini sinchronizuoti pastebėjimai su žemesnės energijos instrumentais, radijo aprėpties stebėjimais ir gausesnėmis magnetometrinėmis prognozėmis, kad būtų galima nustatyti žvaigždžių vėjo savybes ir magnetinių laukų geometrijas. Tokių duomenų integracija leistų atskirti įvairius mechanizmus, kurie formuoja helio uodegas: ar tai daugiau gravitacinės trajektorijos efektai, ar magnetinės linijų konfigūracijos ir šviesos jėgos.
Modeliuotojams rekomenduojama plėtoti trimačius MHD modelius su pilna radiacijos transporto integracija, įskaitant dalelių jonizaciją, rekombinaciją ir cheminių reakcijų tinklus. Taip pat svarbios dalinės plazmos kinetikos priemonės, nes daliai dujų galimi neklasikiniai šilumos perdavimo ir pagreičio mechanizmai, kurių neapima paprastesni hidrodinaminiai sprendimai.
Glaudesnė bendradarbiavimo grandinė tarp stebėtojų ir teorinių modelių kūrėjų — įskaitant eksperimentinius fizikus, dirbančius su aukštos temperatūros plazma — pagreitintų interpretacijas ir padidintų prognozių patikimumą. Tokia integracija yra ypač svarbi, kai norima suprasti ilgalaikes tokio netekimo pasekmes planetos masės evoliucijai ir atmosferos cheminiams rodikliams.
Tyrimas, publikuotas Nature Communications žurnale, primena, kad egzoplanetos yra dinamiškos sistemos. Su JWST ir būsimais observatorijomis astronomai vis dažniau fotografuos planetas besikeičiančias — gaudami tiesioginį įrodymą apie procesus, formuojančius pasaulius už mūsų Saulės sistemos ribų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą