„Karštuosiuose jupiteriuose“ verda tikras pragaras, kokio Žemėje net nesame patyrę

Tokios planetos išsiskiria ne tik savo gyvybei nelabai palankia paviršiaus temperatūra, bet ir egzotiška atmosferos sudėtimi. Egzotiškumas toks, kad mums, žemiečiams, netgi pritrūktų fantazijos taip sugalvoti patiems, jeigu stebėjimo duomenys to nerodytų: debesys iš aliuminio oksido, o lietus – iš išsilydžiusio titano.

Ir visai neseniai mokslininkų grupė sukūrė tokių karštųjų jupiterių „žvaigždžių žemėlapį“, sužymėdami, kokio tipo debesis ir atmosferas pamatytume kiekviename iš jų, jei pakankamai priartėtume.

Visiems karštiesiems jupiteriams būdingi tam tikri bendri bruožai, tačiau esama ir keleto svarbių skirtumų. Ir nuo tų skirtumų gali priklausyti tai, ką mūsų moksliniai instrumentai įžiūrės šių planetų atmosferose, ypač ateinančiais metais, kuomet į kosmosą bus iškeli dar galingesni egzoplanetų stebėjimo įrankiai.

Viršutinė karštųjų jupiterių masės riba yra maždaug 13,6 mūsų Jupiterio masės. Jei masė būtų kiek aukštesnė, šiose planetose pradėtų jungtis deuteris ir jos taptų žvaigždėmis – rudosiomis nykštukėmis. Šių planetų periodas (t. y., jų metai), pagal stebėjimų duomenis, svyruoja nuo 1,2 iki 111 Žemės dienų. Orbitos beveik idealiai apskritiminės, su minimaliu ekscentriškumu.

Daugelio karštųjų jupiterių tankis yra gana mažas, šios planetos būna „potvyniškai susirakinusios“ su savo žvaigžde (t. y., panašiai, kaip Mėnulis, jos apie savo ašį nesisuka, bet kadangi tokios planetos sukasi tik apie savo žvaigždę, jose nėra nei dienos, nei nakties pokyčių – ta pati pusė visuomet būna arba apšviesta, arba tamsi). Paprastai karštieji jupiteriai atrandami apie F ir G tipo žvaigždes. Prie K tipo žvaigždžių jos sutinkamos rečiau. Rečiausiai tokios planetos sutinkamos apie raudonąsias nykštukes.

Viena iš priežasčių, dėl kurios mokslininkai užregistravo tiek daug karštųjų jupiterių – jų atradimo paprastumas. Kuomet šios planetos praskrieja tarp savo žvaigždės ir stebėtojo (mūsų, arba, konkrečiau, „Kepler“ teleskopo), jos užgožia kur kas didesnį savi žvaigždės šviesos kiekį, nei mažesnės planetos. O kadangi jų orbitinis periodas paprastai būna labai trumpas, tikimybė atkreipus dėmesį į bet kurią žvaigždę pastebėti būtent tokią planetą, taip pat gerokai padidėja.

Kadangi karštieji jupiteriai yra taip lengvai surandami ir yra tokie patogūs kandidatai atmosferų stebėjimui ateities teleskopais, astronomų grupė sudarė jų žvaigždėlapį. Šis atlasas iš esmės yra modelis, nusakantis skirtinguose karštuosiuose jupiteriuose randamų skirtingų atmosferų ir debesų tipų žinynas.

Šiai astronomų grupei priklausė mokslininkai iš Kanados, JAV ir JK. Tyrimui vadovavo Kalifornijos universiteto Berklyje (JAV) podoktorantūrinių studijų mokslininkas Peteris Gao. Tyrimą, pavadintą „Aerosol composition of hot giant exoplanets dominated by silicates and hydrocarbon hazes“, publikavo žurnalas „Nature Astronomy“.

Šio darbo pagrindinis tikslas buvo sukataloguoti visų žinomų karštųjų jupiterių atmosferų tipus.

Kaip savo galutiniame darbe teigė patys jo autoriai, „aerozoliai yra dažnai sutinkami egzoplanetų atmosferose didžiuliame temperatūrų, masių ir amžių spektre. Šie aerozoliai stipriai paveikia gaunamus stebėjimų duomenis, kurie yra atspindimi ar skleidžiami nuo stebimųjų planetų paviršių bei trukdo mūsų supratimui apie planetų šiluminę struktūrą ir cheminę sudėtį“.

Karštųjų jupiterių atmosferos aerozolių poveikio suvokimas astronomams suteiks pranašumų tokias atmosferas stebint ateityje.

„Žinodami dominuojančias aerozolių sudėtis galėtume lengviau interpretuoti egzoplanetų stebėjimo duomenis ir įgyti teorinį suvokimą apie jų atmosferas“, – teigia atlaso sudarytojai.

Šis darbas svarbus ir už Saulės sistemos ribų savo žvilgsnio nenukreipiantiems astronomams, kurie, tarkime, analizuoja tokius „šaltus“ dujinius gigantus, kaip tikrasis Jupiteris, Saturnas, uranas ar Neptūnas, o taip pat šių planetų playdovus – pavyzdžiui, Titaną, kurį gaubia tiršta, debesuota atmosfera.

Anot tyrėjų, vienas debesų tipas dujinių gigantų atmosferose yra dominuojantis nepriklausomai nuo to, ar tie dujiniai gigantai yra šaltieji, ar karštieji jupiteriai. Tai – „skysti arba kieti silicio ir deguonies lašeliai, primenantys arba išlydytą kvarcą, arba išlydytą smėlį“.

Tyrimo autorius P.Gao pranešime spaudai nurodė, kad „tokių debesų, kurie gali egzistuoti tokiose karštose atmosferose, Saulės sistemoje net nevadintume debesimis“.

„Buvo modelių, kurie prognozuoja įvairias atmosferos sudėtis, tačiau šio tyrimo tikslas buvo įvertinti, kurios iš šių sudėtinių dalių iš tiesų yra svarbios ir palyginti šiuos modelius su dabar jau turimais duomenimis“, – sakė tyrimo vadovas.

Egzoplanetų atmosferos (o ir apskritai viskas, kas yra susiję su egzoplanetomis) šiuo metu yra labai populiari tema astronomijoje. Ji populiari ištisus pastaruosius 10 metų. Astronomai šias atmosferas patyrinėti gali dėl to, kad jas persmelkianti ir mus pasiekianti žvaigždžių šviesa atskleidžia tam tikras detales apie tų atmosferų sudėtį.

Pavyzdžiui, 2019 metais mokslininkai vienos egzoplanetos atmosferoje aptiko vandens garų. Ir gal netgi lietų. O 2020 metais mokslininkai potvyniškai prirakintos planetos „naktinėje“ pusėje sugebėjo įžiūrėti išsilydžiusios geležies lietų.

2013 m. spalį astronomai vienoje iš pirmųjų „Kepler“ atrastų egzoplanetų sugebėjo įžiūrėti pirmuosius debesų egzistavimo įrodymus.

Bet planetų, kurios mokslininkams leidžia patyrinėti jų atmosferos paslaptis, yra maždaug tiek pat, kiek ir planetų, kurių debesų danga yra tokia tanki, kad jų tiesiog neįmanoma tirti spektroskopijos būdu. Tų planetų debesys yra tokie tankūs, kad žvaigždžių šviesa jos neįveikia. Dėl to nėra galimybės pažvelgti į gilesnius egzoplanetos atmosferos sluoksnius, kuriuose ir slypi labiausiai mokslininkus dominančios žinios.

„Radome daugybę debesų: tam tikrų dalelių – ne molekulių, bet nedidelių lašelių – kurie yra pakibę tose atmosferose. Nežinome iš jo jos sudarytos, bet jos kenkia mūsų stebėjimams ir apsunkina mūsų galimybes įvertinti svarbiųjų molekulių, tokių, kaip vanduo ir metanas, sudėtį bei koncentraciją“, – sakė P.Gao.

Egzoplanetų tyrėjai jau ne vienus metus bandė patys suprasti ir kitiems paaiškinti, ką jie mato, kas yra tie lašeliai. Jie modeliavo įvairius aliuminio oksidus – tokius, kaip korundą, sudarantį rubinus bei safyrus, modeliavo išsilydžiusias druskas, tokias, kaip kalio chloridas, modeliavo silicio oksidus arba silikatus, kaip kvarcas – pagrindinė sudėtinė smėlio dalis. Modeliuojami buvo ir cinko bei mangano oksidai, Žemėje sudarantys uolienas, ir organiniai angliavandeniliai.

Anot P.Gao, visi tokie egzotiški debesys gali būti ir skystų, ir kietų aerozolių pavidalu.

Egzoplanetų atmosferų modeliai buvo adaptuoti iš modelių, kurie yra skirti Žemės atmosferai, o tuomet pritaikyti tokioms planetoms, kaip Jupiteris, kurio audringoje atmosferoje yra didžiuliai metano ir amoniako debesys. Vėliau šie modeliai buvo dar patobulinti iki karštųjų jupiterių, kuriuose temperatūra siekia iki 2500 ºC, atmosferos modeliavimo.

Jų tikslas buvo įvertinti skirtingas atmosferos dujas, sudarytas iš skirtingų atomų arba molekulių, sužinoti, kaip jos kondensuojasi į lašelius, kurie arba auga, arba išgaruoja, kaip jie gali keliauti per atsmosferą.

„Mintis buvo tokia, kad visų debesų tipų formavimąsi lemia tie patys fizikiniai principai“, – sakė P.Gao, kuris taip pat yra modeliavęs ir Veneros sieros rūgšties debesis.

„Paėmiau tą modelį ir pritaikiau jį likusiai galaktikai, suteikiau jam galimybę modeliuoti ir silikatų, ir geležies, ir druskų debesis“, – sakė tyrimo vadovas.

Bet modeliavimas pats savaime nėra labai vertingas. Sukūrus bet kokį modelį būtina įsitikinti jo patikimumu lyginant modeliavimo duomenis su stebėjimo duomenimis. Mokslininkai turi maždaug 70 egzoplanetų atmosferų stebėjimo duomenis, o P.Gao su kolegomis savo modelio prognozes palygino su 30 šių stebėjimo duomenų rinkinių.

Toks palyginimas leido atmesti kai kuriuos egzotiškesnius duomenų tipus, kuriuos pastaraisiais metais teoriškai pasiūlė kai kurie mokslininkai, nes jų kondensavimuisi reikėjo per daug energijos.

Bet kai kurie debesų tipai – pavyzdžiui, silicio – kondensuojasi ganėtinai lengvai. P.Gao su kolegomis nustatė, kad silicio debesys dominuoja gana dideliame temperatūrų spektre – nuo 900 iki 2000 laipsnių Kelvino skalėje.

Taip pat buvo nustatyta, kad karščiausiuose karštuosiuose jupiteriuose į aukštai skrendančius debesis kondensuojasi aliuminio ir titano oksidai, o egzoplanetose su vėsesne atmosfera tie debesys skraido žemiau ir juos nuo stebėtojų slepia aukščiau esantys silikatų debesys.

Jeigu planetos būtų dar vėsesnės, tie patys silikatų debesys skrietų žemiau, o aukštesniuose atmosferos sluoksniuose matomumo niekas netrikdytų.

Tad, remdamasis savo modeliavimų rezultatais, P.Gao karštuosius jupiterius surūšiavo į dvi temperatūrines grupes: pirmojoje vyrauja paviršiaus temperatūra nuo 900K iki 1400K, antrojoje – aukščiau 2200K.

Abiejose šiose grupėse aukštesnieji atmosferos sluoksniai yra skaidrūs, leidžiantis detaliai patyrinėti pačią atmosferą.

„Jau ir ankstesniais tyrimais buvo nustatytas ir išmatuotas kelių egzoplanetų debesų buvimas bei storis, tačiau tik kolektyviai matant didelę tokių atmosferų imtį galime analizuoti šių tolimų pasaulių fiziką ir chemiją. Dominuojanti šių planetų debesų rūšis yra paprasta kaip smėlis – nes iš esmės tai ir yra smėlis – todėl ateityje bus labai įdomu išmatuoti pačių debesų spektrinius duomenis, kai bus iškeltas Jameso Webbo kosminis teleskopas (JWST)“, – sakė tyrimo bendraautorė Hannah Wakeford, dirbanti Bristolio universitete (JK).

Sulig JWST iškėlimu astronomijos, kosmologijos ir kitų kosmoso mokslo sričių atstovai turėtų šokti didelį šuolį pirmyn, nes tai bus pirmasis žmonijos įrankis, gebantis kruopščiai išanalizuoti tolimų planetų atmosferą.

Bet „mokydamasis dirbti“ JWST savo akį infraraudonųjų spindulių spektre nukreips ir į artimąsias planetas, tokias, kaip Jupiteris. Galima tikėtis, kad net ir kaimyninėje planetoje, gilesniuose jos atmosferos sluoksniuose, sugebėsime įžvelgti tokius debesis, kokius nusakė pastarojo mokslinio darbo autoriai.

Bet šiame tyrime yra ir vienas trūkumas – jį mokslininkai labai atvirai nurodė patys. Jų modelis visiškai nevertino skirtumų tarp dieninės ir naktinės planetų pusės, nepaisant fakto, kad dauguma karštųjų jupiterių yra potvyniškai surakinti su savo žvaigžde.

„Mūsų tyrimo trūkumas yra tas, kad naudodami vienmačius modelius nevertinome šiltųjų milžinų, kurie veikiausiai bus potvyniškai surakinti su savo karštomis žvaigždėmis, trimatės prigimties“, – rašė tyrimo autoriai.

Kita vertus, labai tikėtina, kad toks trūkumas iš esmės darbo rezultatų net nekeičia. Nes, kaip pridūrė tyrimo autoriai, „mažai tikėtina, kad šie efektai reikšmingai pakeistų mūsų išvadas, nes ties terminatoriumi stebimos vidutinės temperatūros profilis, įvertintas transmisijos metu, turėtų būti labiau panašus į vidutinį pasaulinį temperatūros profilį, kurį naudojame savo modeliavime, nei į kraštutinius dieninės ar naktinės pusės temperatūrų profilius“.

Ateityje P.Gao ir kolegos ketina išplėsti savo modelio galimybes ir stebėti daugiau skirtingų egzoplanetų, o taip pat – kai kurias žvaigždes (rudąsias nykštukes). Iš esmės šios žvaigždės vis dar yra dujinės milžinės, tik jos yra tokios masyvios, kad jau yra beveik žvaigždės, nors turi ir atmosferą, ir debesis.