На планете Осирис дует сверхзвуковой ветер

С тех пор как астрономы обнаружили первую внесолнечную планету, точность их инструментов выросла фантастически. О задачах, которые теперь им под силу, ученые, 15 лет назад открывшие первую экзопланету, не могли и мечтать. Планеты открывают разными способами, отыскивают «залпами» и по одной, видят и газовые «горячие Юпитеры», и твердые шарики. Астрономы научились фиксировать собственное вращение планет и частично определять состав их атмосферы. Но методика, предложенная Игнасом Шнелленом из Лейденского университета, позволила продвинуться еще дальше. С ее помощью ученые впервые напрямую определили массу известной экзопланеты и вычислили, с какой скоростью в ее атмосфере дуют ветры.

Если перед астрономами стоит задача вычислить массу каждой из двух гравитационно связанных звезд, то она легко решается при условии, что известны скорости каждого компаньона и их расстояние до общего центра масс. Система звезда--планета отличается тем, что один из компаньонов многократно тусклее и легче другого, так что говорить о скорости можно лишь по «качанию» самой звезды на луче зрения наблюдателя. Но Шнеллен придумал, как напрямую измерить скорость обращения планеты.

Осирис из Пегаса

Открытая в 1999 году в созвездии Пегаса планета HD209458b стала первой, на которой был опробован метод транзитов – отслеживания периодических колебаний яркости звезды. Газовый гигант, прозванный Осирисом, в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, и скользит по диску звезды в течение трех часов. Как и Луна на орбите Земли, планета HD209458b всегда повернута к звезде одним боком.

Из геометрических соображений, которые проиллюстрированы схемой, ясно, что в момент начала транзита планета должна несколько приближаться к Земле, а под конец покрытия – удаляться. Правда, это выполнялось бы в том случае, если бы сама звезда не двигалась относительно Земли. В общем же случае спектральные линии элементов планеты, если бы их удалось промерить, в начале транзита сдвигались бы в голубую область, а в конце – в красную.

Тонкая игра со спектром

Так как звезда во много раз ярче и горячее, наивно надеяться, что можно поймать линии излучения вещества самой планеты. Но в момент транзита свет звезды, скользя сквозь атмосферу планеты, получает от нее характерные метки – спектральные линии поглощения различных элементов. Длина волны, на которой элемент поглотил свет звезды, указывает на скорость этой молекулы относительно источника света. А это значит, что по таким линиям наблюдатель на Земле может точно сказать, с какой скоростью атмосфера двигалась в начале транзита, а с какой – в конце. При помощи сверхточного спектрографа, установленного на чилийском телескопе VLT, астрономы промерили в спектре звезды линии угарного газа CO, который присутствует в атмосфере планеты. Оказалось, что в момент начала транзита скорость планеты на луче зрения на 30 км/с меньше, чем в конце. Зная диаметр звезды, вычислить орбитальную скорость планеты стало простым делом – она оказалась равной 140 км/с. А подставив эту скорость в ньютоновские уравнения движения, ученые вычислили массу планеты – 0,646 массы Юпитера. Менее точно масса (0,7 массы Юпитера) планеты была известна и раньше. Ученые доказали главное – увеличение точности приборов, в данном случае спектральных, дает возможность мерить тончайшие эффекты, которые нельзя уловить более грубыми инструментами.

Сверхзвуковой терминатор

Тот же метод помог установить, что в районе терминатора -- на границе вечного дня и вечной ночи -- атмосфера планеты Осирис принимает участие в куда более стремительном движении: с раскаленной дневной стороны в сторону холодной ночной постоянно дует ветер с умопомрачительной скоростью – 2 км/c. Это в шесть раз выше скорости звука в воздухе на уровне земного моря.

«Планета HD209458b определенно не для трусливых, -- пошутил Шнеллен. -- Но в будущем астрономы могут использовать такие наблюдения за атмосферой похожих на Землю планет в поисках жизни».

Работа ученых опубликована в журнале Nature.