Астрономи зазирнули крізь атмосферу планети за межами Сонячної системи, вперше відобразивши її тривимірну структуру. Для цього вони об’єднали всі чотири телескопи, які разом становлять Дуже великий телескоп (Very Large Telescope, VLT) Європейської південної обсерваторії (European Southern Observatory, ESO). Це дало змогу виявити потужні вітри, що переносять такі хімічні елементи, як залізо та титан, і формують складні погодні умови в атмосфері планети. Відкриття відчиняє двері для докладного вивчення хімічного складу та погоди екзопланет.

«Стан атмосфери цієї планети такий, що це кидає виклик нашому розумінню того, якою може бути погода — не лише на Землі, а й на всіх планетах. Це ніби щось із наукової фантастики», — сказала Джулія Вікторія Зайдель (Victoria Seidel), дослідник Європейської південної обсерваторії в Чилі та перший автор дослідження. Його результати опублікував журнал Nature.

Планета WASP-121b (також відома як Tylos — Тилос) лежить на відстані приблизно 900 світлових роках від нас у напрямку сузір’я Корми. Вона належить до типу надгарячих юпітерів, тобто це газовий гігант, який обертається навколо своєї материнської зорі так близько, що рік там триває лише 30 земних годин. Крім того, один бік планети розпечений, бо він завжди обернений до зорі, а другий бік набагато холодніший.

Науковці дослідили атмосферу Тилоса і виявили чіткі вітри в окремих її шарах. І на підставі цього створили мапу тривимірної структури атмосфери. Вперше астрономи змогли вивчити атмосферу планети за межами Сонячної системи так глибоко та докладно.

3D структура атмосфери екзопланети Тилос з позначенням її шарів. Атмосфера Тилоса розподілена на три шари, із залізними вітрами внизу, за якими йде дуже швидкий струменевий потік натрію, і, нарешті, верхній шар вітрів з атомів водню. Такого клімату ще не спостерігали на жодній планеті. Авторські права на зображення: ESO/M. Kornmesser. Фото з сайту www.eso.org.

«Те, що ми виявили, було несподіваним: струменевий потік (jet stream) обертає речовину навколо екватора планети, тоді як окремий потік на нижчих рівнях атмосфери переміщує газ з гарячої сторони до холодної. Такого клімату ніколи раніше не спостерігали на жодній планеті», — зазначила Зайдель, яка також є дослідником у лабораторії Лагранжа, що є частиною обсерваторії Лазурного берега у Франції. Спостережуваний струменевий потік охоплює половину планети, набираючи швидкість і сильно збурюючи атмосферу високо в небі, коли він перетинає гарячу сторону Тилоса. «Як порівняти, навіть найсильніші урагани в Сонячній системі здаються спокійними», — додала вона.

Ця діаграма показує структуру та рух атмосфери екзопланети Тилос (WASP-121b). На рисунку екзопланету показано зверху, ніби ми дивимося на один із її полюсів. Планета обертається проти годинникової стрілки так, що до її материнської зорі завжди повернута один і той самий її бік, тому на одній половині планети завжди день, а на іншій — ніч. Перехід між ніччю та днем ​​є «ранкова сторона», а «вечірня сторона» — це перехід між днем ​​і ніччю. Її ранкова сторона праворуч, а вечірня — ліворуч. 
Коли планета перетинає диск своєї зорі, атоми в атмосфері планети поглинають випромінювання зорі на певних довжинах електромагнітних хвиль, які можна виміряти за допомогою спектрографа. За цими даними, отриманими під час дослідження за допомогою приладу ESPRESSO на Дуже великому телескопі Європейської південної обсерваторії, астрономи можуть реконструювати склад і швидкість різних шарів атмосфери. 
Найглибший шар — це залізний вітер, який дме від точки планети, де зоря перебуває прямо над головою. Над цим шаром є дуже швидкий струмінь натрію, який рухається швидше, ніж планета. Цей струмінь насправді прискорюється, коли рухається від ранкової до вечірньої сторони планети. Нарешті, є верхній шар вітру з атомів водню, що дме назовні. Авторські права на зображення: ESO/M. Kornmesser. Фото з сайту www.eso.org.

Щоб розкрити тривимірну структуру атмосфери екзопланети, наукова група використала інструмент ESPRESSO на VLT ESO. Він об’єднує світло від чотирьох великих телескопів в один сигнал. Цей комбінований режим роботи VLT дає змогу збирати вчетверо більше світла, ніж окремий телескоп, виявляючи тьмяніші деталі. Спостерігаючи планету протягом її одного повного транзиту перед материнською зорею, приймач ESPRESSO зміг виявити ознаки багатьох хімічних елементів у різних шарах атмосфери.

«Дуже великий телескоп дав нам змогу досліджувати три різні шари атмосфери екзопланети одним махом», — зауважив співавтор дослідження Леонардо А. дос Сантос (Leonardo A. dos Santos), астроном-асистент Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі, США. Наукова група відстежувала переміщення заліза, натрію та водню, що допомогло їм простежити вітри в глибоких, середніх і високих шарах атмосфери планети відповідно. «Це ті спостереження, які дуже складно виконувати за допомогою космічних телескопів, що підкреслює важливість наземних спостережень екзопланет», — додав він.

Цікаво, що спостереження також виявили присутність титану прямо під струменевим потоком, як випливає з результатів супутнього дослідження. Їх опубліковано в Astronomy and Astrophysics. Це стало ще одним сюрпризом, бо попередні спостереження планети показали відсутність цього елемента, можливо, через те, що він міститься глибоко в атмосфері.

«Це справді приголомшливо, що ми можемо вивчати такі деталі, як хімічний склад і погодні умови планети на такій величезній відстані», — сказала Бібіана Прінот (Bibiana Prinoth), аспірант Лундського університету в Швеції і співробітниця ESO, яка керувала супутнім дослідженням і є співавтором статті в Nature.

Щоб виявити атмосферу менших, схожих на Землю планет, знадобляться більші телескопи. Серед них буде Надзвичайно великий телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) ESO, який нині будують в пустелі Атакама в Чилі, і його інструмент ANDES. «ELT змінить правила гри у питанні вивчення атмосфер екзопланет», — сказала Прінот. «У мене таке відчуття, зважаючи на мій досвід, що ми на порозі відкриття неймовірних речей, про які зараз можемо лише мріяти».

За інф. з сайту www.eso.org