Symulacje pokazują, że egzoplanety ogrzewane na większych głębokościach przez swoje gwiazdy macierzyste wykazują znacząco różne układy atmosferyczne

Przez wiele lat większość modeli astrofizycznych zakładała, że ​​planety poza naszym Układem Słonecznym, zwane egzoplanetami, są podgrzewane na podobnych głębokościach przez swoje gwiazdy macierzyste (tj. gwiazdy takie jak Słońce, wokół którego tworzą się układy planetarne). Jednak analizy ostatnich obserwacji przeprowadzonych przez kilka zespołów przy użyciu różnych teleskopów sugerują, że niektóre egzoplanety mogą absorbować ciepło do swoich atmosfer znacznie głębiej, niż pierwotnie sądzono. Takie egzoplanety mogą wykazywać zupełnie inny układ klimatyczny, niż oczekiwano na podstawie poprzedniego modelowania.

Naukowcy z Caltech, Flatiron Institute i Brandeis University przeprowadzili niedawno serię symulacji, które potwierdziły tę hipotezę. Oni papieropublikowane w Listy z przeglądu fizycznegoSugeruje, że gorące atmosfery egzoplanet podgrzewane przez gwiazdy macierzyste na większych głębokościach prowadzą do różnych, trwałych wzorców klimatycznych.

„Do przyjrzenia się temu problemowi skłoniła nas niedawna analiza danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dla planety WASP-96b, która wykazała, że ​​ciepło wytwarzane przez jej gwiazdę macierzystą może być absorbowane przez atmosferę znacznie głębiej, niż wcześniej sądzono” – Jack W. Skinner, Jonas Natella i James YK. Zhou, autorzy artykułu, powiedzieli Phys.org. „To skłoniło nas do przyjrzenia się wcześniejszym analizom podobnych planet i odkryliśmy, że istnieją również inne planety nagrzewane w ten sposób”.

Głównym celem niedawnej pracy Skinnera, Natelli i Zhou było lepsze zrozumienie, w jaki sposób głębokość atmosfery, w której nagrzewają się planety, wpływa na długoterminowe wzorce pogodowe. Pozwoliłoby to na dokładniejsze określenie wyglądu planety oglądanej za pomocą obecnych i przyszłych teleskopów kosmicznych. Pogłębiłoby to również naszą wiedzę na temat klimatu, a ostatecznie możliwości zamieszkania na egzoplanetach.

„Dokładna lokalizacja i rozkład ciepła na egzoplanetach nie jest obecnie dobrze znana, ale poprzednie badania generalnie zakładały jedno położenie i rozkład” – wyjaśnili Skinner, Natella i Zhou. „W rzeczywistości do dokładnej interpretacji obserwacji potrzebny jest pełniejszy obraz atmosfery planety”.

W ramach badań naukowcy przeprowadzili setki nowoczesnych symulacji superkomputerowych. Ich symulacje rozwiązują zestaw złożonych równań nieliniowych opisujących ewolucję ściśliwych płynów na obracającej się kuli. Te same równania służą do przewidywania pogody i klimatu na Ziemi i innych planetach Układu Słonecznego.

„Przeprowadziliśmy te symulacje przy tych samych parametrach, co dwie różne gorące planety z różnymi rodzajami ogrzewania” – powiedział Skinner.

„Ogrzewanie opiera się na danych uzyskanych za pomocą Teleskopu Jamesa Webba i Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (ten ostatni już nie działa) gorącej egzoplanety Jowisz WASP-96b. Główna różnica w porównaniu z poprzednimi pracami symulacyjnymi polega na tym, że w naszej pracy wykorzystujemy bardzo wydajny algorytm, który umożliwia nam przeprowadzanie naszych symulacji w niezwykle wysokiej rozdzielczości (około 50 razy wyższej niż jest to zwykle wykonywane dla tych planet) na potężnych superkomputerach.

Algorytm zastosowany przez Skinnera, Natellę i Zhu znacznie usprawnia ich symulacje, umożliwiając im uchwycenie struktur przepływów o małej skali, takich jak wiry, fronty i fale. Łącznie te struktury przepływu dostarczają istotnych informacji na temat obserwowalnych wzorców pogodowych na egzoplanetach, z niespotykanym dotąd poziomem szczegółowości i rozdzielczości.

„Ponieważ ogrzewanie i małe struktury, które generuje, napędzają przepływ, rodzaj ogrzewania determinuje zachowanie przepływów na tych planetach” – powiedział Natella. „Nasze symulacje pokazują, że gorąca atmosfera Jowisza jest bardzo dynamiczna i burzliwa, występują w niej potężne burze, od dużych do małych pod względem wielkości i intensywności. Rodzaj i zachowanie tych burz zależy od tego, w jaki sposób ciepło i chłód są redystrybuowane na planetach”.

Najnowsze prace tego zespołu badawczego dostarczają interesującego wglądu w warunki atmosferyczne panujące na egzoplanetach oraz w jaki sposób na te warunki może wpływać głębokość, na której ciepło jest absorbowane przez gwiazdy macierzyste.

Symulacje przeprowadzone w ramach tego badania należą do najbardziej szczegółowych i dokładnych symulacji przeprowadzonych dotychczas i mogą pomóc w opracowaniu nowych modeli opisujących gorące atmosfery egzoplanet.

„Modelowanie i zrozumienie przepływów na egzoplanetach jest niezbędne, ponieważ przepływy te przemieszczają gorące (i zimne) plamy powietrza (w tym chemikalia i chmury) wokół planety” – wyjaśnił Zhou. „To tworzy jasne i ciemne plamy, które poruszają się po planecie i mogą być obserwowane przez obecne i przyszłe misje teleskopów kosmicznych, takie jak JWST i Ariel”.

Skinner, Natella i Zhu są podekscytowani dotychczasowymi wynikami, które w końcu pokazują, że atmosfery egzoplanetarne są bardzo dynamiczne i zmienne, w przeciwieństwie do ziemskiej. Ponadto ich praca pokazuje, że chociaż egzoplanety mogą mieć bardzo podobne parametry fizyczne i znajdują się w układach planetarnych z podobnymi gwiazdami macierzystymi, subtelne różnice między nimi mogą mieć ogromny wpływ na ich klimat, pogodę i inne obserwowalne właściwości.

„Nasza praca postawiła wiele ekscytujących pytań dotyczących egzoplanet i pokazała, że ​​obecnie pilnie potrzebne są dokładne modele, aby dokładnie zinterpretować bieżące obserwacje i optymalnie zaplanować przyszłe obserwacje” – dodali Skinner, Natella i Zhou.

„Wraz ze zbliżającymi się misjami NASA JWST i ESA ARIEL nasza praca pokazuje, że możemy teraz zacząć realistycznie ograniczać i testować podstawowe teorie fizyczne i wyrafinowane modele komputerowe, a także zbliżyć się do dokładnego sprawdzenia, na których egzoplanetach może znajdować się życie”.