Od kovového deště k hučícím jet streamům: První 3D pohled na mimozemskou atmosféru

Astronomům se poprvé podařilo zmapovat 3D strukturu atmosféry exoplanety a otevřít tak nový způsob zkoumání cizích světů. Pomocí dalekohledu ESO Very Large Telescope (VLT) objevili extrémní větry, které přenášejí železo a titan přes oblohu WASP-121 b (Tylos), velmi horkého plynného obra obíhajícího kolem své hvězdy závratnou rychlostí. Tryskové proudění (jet stream) na planetě vytváří klima, které nemá obdoby, a víří prudkými bouřemi, vedle nichž se i ty nejdivočejší hurikány ve Sluneční soustavě zdají být krotké. Tyto objevy znamenají velký pokrok v poznání počasí na exoplanetách a naznačují, co by mohly budoucí teleskopy odhalit o dalších světech podobných Zemi.

Na úvodním obrázku je umělecké ztvárnění exoplanety WASP-121 b. Zobrazuje pouze část exoplanety a podrobněji ukazuje tři vrstvy její atmosféry. Tyto vrstvy jsou zobrazeny jako postupné kulovité slupky rozříznuté na polovinu. Každá vrstva má jinou barvu. Atmosféra planety Tylos je rozdělena do tří vrstev, přičemž ve spodní části se nachází železný vítr, následuje velmi rychlý tryskový proud sodíku a nakonec horní vrstva vodíkového větru. Takové klima nebylo dosud na žádné planetě pozorováno.

Nahlédnutí do cizí atmosféry
Astronomové poprvé zmapovali 3D strukturu atmosféry exoplanety a odhalili silné větry, které přenášejí prvky jako železo a titan. Pomocí všech čtyř teleskopů Velmi velkého dalekohledu Evropské jižní observatoře (ESO VLT) vědci odhalili složité modely počasí, které utvářejí oblohu planety WASP-121 b. Tento průlom otevírá cestu k podrobnějšímu studiu složení atmosféry a klimatu na vzdálených světech.

„Atmosféra této planety se chová způsobem, který zpochybňuje naše chápání fungování počasí – nejen na Zemi, ale na všech planetách. Připadá mi to jako něco ze science fiction,“ říká Julia Victoria Seidelová, vědecká pracovnice Evropské jižní observatoře (ESO) v Chile a hlavní autorka studie, která byla zveřejněna v časopise Nature.

Seznamte se s Tylosem: ultražhavý jupiter
Planeta WASP-121 b (nazývaná také Tylos) leží asi 900 světelných let daleko v souhvězdí Puppis (Lodní záď). Jedná se o ultražhavý jupiter, tedy plynného obra, který obíhá kolem své hvězdy tak blízko, že rok zde trvá pouhých 30 pozemských hodin. Jedna strana planety je trvale vystavena působení hvězdy a dosahuje extrémních teplot, zatímco druhá strana zůstává mnohem chladnější.

Tým nyní prozkoumal hluboké nitro atmosféry planety Tylos a odhalil odlišné větry v jednotlivých vrstvách, čímž vytvořil mapu 3D struktury atmosféry. Je to poprvé, co se astronomům podařilo studovat atmosféru planety mimo Sluneční soustavu do takové hloubky a detailů.

Připojený diagram ukazuje strukturu a pohyb atmosféry exoplanety Tylos (WASP-121 b). Exoplaneta je na tomto obrázku zobrazena při pohledu shora na jeden z jejích pólů. Planeta rotuje proti směru hodinových ručiček tak, že ke své mateřské hvězdě přivrací vždy stejnou stranu, takže na jedné polovině planety je vždy den a na druhé noc. Přechod mezi dnem a nocí představuje „ranní strana“, zatímco „večerní strana“ představuje přechod mezi dnem a nocí; její ranní strana je napravo a večerní strana nalevo.

Když planeta přechází před svou hostitelskou hvězdou, atomy v atmosféře planety pohlcují určité barvy neboli vlnové délky světla hvězdy, které lze měřit pomocí spektrografu. Z těchto údajů – získaných v tomto případě přístrojem ESPRESSO na dalekohledu ESO Very Large Telescope – mohou astronomové rekonstruovat složení a rychlost proudění různých vrstev atmosféry.

Nejhlubší vrstvu tvoří železný vítr, který vane od místa planety, kde je hvězda přímo nad hlavou. Nad touto vrstvou se nachází velmi rychlý proud sodíku, který se pohybuje rychleji, než planeta rotuje. Tento proud se skutečně zrychluje, když se pohybuje od ranní strany planety k večerní. Nakonec je zde horní vrstva vodíkového větru, který vane směrem ven. Tato vrstva vodíku se překrývá s proudem sodíku pod ní.

Tryskový proud jako žádný jiný
„To, co jsme zjistili, bylo překvapivé: tryskové proudění přenáší materiál kolem rovníku planety, zatímco samostatné proudění v nižších vrstvách atmosféry přesouvá plyn z horké strany na chladnější. Takové klima nebylo dosud pozorováno na žádné planetě,“ říká Seidelová, která je zároveň výzkumnou pracovnicí Lagrangeovy laboratoře, jež je součástí francouzské Observatoire de la Côte d’Azur. Pozorované tryskové proudění se táhne přes polovinu planety, nabírá rychlost a prudce čeří atmosféru vysoko na obloze, když přechází přes horkou stranu Tylosu. „Dokonce i nejsilnější hurikány ve Sluneční soustavě se ve srovnání s ním zdají být klidné,“ dodává Seidelová.

K odhalení 3D struktury atmosféry exoplanety použil tým přístroj ESPRESSO na dalekohledu ESO VLT, který spojil světlo čtyř velkých teleskopů do jediného signálu. Tento kombinovaný režim VLT shromažďuje čtyřikrát více světla než jednotlivé dalekohledy a odhaluje mnohem jemnější detaily. Pozorováním planety po dobu jednoho úplného přechodu před její hostitelskou hvězdou byl systém ESPRESSO schopen detekovat signatury více chemických prvků, čímž prozkoumal různé vrstvy atmosféry.

Chemické stopy cizího světa
„VLT nám umožnil prozkoumat tři různé vrstvy atmosféry exoplanety najednou,“ říká spoluautor studie Leonardo A. dos Santos, asistent astronomie na Space Telescope Science Institute v Baltimoru ve Spojených státech.

Tým sledoval pohyb železa, sodíku a vodíku, což mu umožnilo vysledovat větry v hlubokých, středních a mělkých vrstvách atmosféry planety. „Je to druh pozorování, který je velmi náročný pro vesmírné teleskopy, což podtrhuje význam pozemních pozorování exoplanet,“ dodává Santos.

Skryté tajemství titanu
Zajímavé je, že pozorování odhalila také přítomnost titanu těsně pod tryskovým prouděním, na což upozorňuje doprovodná studie publikovaná v časopise Astronomy and Astrophysics. To bylo další překvapení, protože předchozí pozorování planety neukázala přítomnost tohoto prvku, možná proto, že je ukryt hluboko v atmosféře.

„Je skutečně ohromující, že jsme schopni studovat takové detaily, jako je chemické složení a průběh počasí na planetě v tak obrovské vzdálenosti,“ říká Bibiana Prinothová, doktorandka na Lund University ve Švédsku a ESO, která vedla doprovodnou studii a je spoluautorkou článku v časopise Nature.

Pohled do budoucnosti studia exoplanet
K odhalení atmosféry menších planet podobných Zemi však budou zapotřebí větší teleskopy. Mezi ně bude patřit dalekohled ESO ELT (Extremely Large Telescope), který se v současné době staví v chilské poušti Atacama, a jeho přístroj ANDES. „ELT změní pravidla hry pro studium atmosfér exoplanet,“ říká Prinothová. „Díky této zkušenosti mám pocit, že jsme na pokraji odhalení neuvěřitelných věcí, o kterých si nyní můžeme nechat jen zdát.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/from-metal-rain-to-roaring-jet-streams-the-first-3d-look-at-an-alien-atmosphere/

autor: František Martinek