Odkrywanie tajemnic skrywanych przez atmosfery egzoplanet
W atmosferach egzoplanet kryją się informacje na temat ich powstania i ewolucji – dotyczące ich masy, promienia i wieku, a nawet możliwości rozwoju na nich życia. Biorąc pod uwagę, że procesy zarówno konwekcji, jak i cyrkulacji kształtują powłoki gazowe Układu Słonecznego, powszechnie przyjmuje się, że procesy te są kluczowe również w przypadku atmosfer planet pozasłonecznych. Temat ten został podjęty przez naukowców skupionych wokół projektu ATMO, finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, którzy wprowadzili zmiany do istniejących teorii, a następnie poddali nowe ramy teoretyczne walidacji przy użyciu symulacji superkomputerowych. „Odkrycia zespołu projektu ATMO już teraz przyczyniają się do wyjaśnienia niektórych spośród coraz liczniejszych obserwacji egzoplanet, których przybywa zwłaszcza od czasu uruchomienia Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba”, zauważa Pascal Tremblin, pracownik francuskiego Komisariatu ds. Energii Atomowej i Alternatywnych Źródeł Energii oraz koordynator projektu ATMO.
Konwekcja diabatyczna
Do badania procesów konwekcyjnych zespół projektu ATMO wykorzystał symulacje opracowane na potrzeby modelowania termohydrauliki układów chłodzenia elektrowni jądrowych. „Te bardzo precyzyjne modele ujawniły, że wiele układów konwekcyjnych było dynamicznie niestabilnych, czego nie dało się przewidzieć na podstawie poprzednich teorii”, wyjaśnia Tremblin. Pozwoliło to zespołowi stworzyć uogólnioną teorię nazwaną „teorią konwekcji diabatycznej”; diabatycznej dlatego, że związanej z wymianą ciepła. Przewyższyła ona oczekiwania uczonych, gdyż umożliwiła uwzględnienie szeregu niestabilności, takich jak uwalnianie/pompowanie ciepła utajonego przez kondensację/parowanie wody. Dzięki temu ma zastosowanie do różnych zjawisk hydrodynamicznych, w tym do niestabilności Rayleigha-Taylora, co może pomóc w wyjaśnieniu procesu powstawania chmur. Walidacji poddano również rozszerzenie zmienionej teorii w odniesieniu do dwóch dodatkowych zastosowań – kompozycyjnej konwekcji diabatycznej i wykorzystującego konwekcję diabatyczną dynama magnetohydrodynamicznego (MHD). „Rozszerzenie teorii na dynamo MHD jest szczególnie cenne w kontekście badań nad egzoplanetami, które mają zjonizowane atmosfery, a także nad atmosferami i wnętrzami gwiazd, zarówno zjonizowanych, jak i gorących”, podkreśla Tremblin.
Symulacja cyrkulacji wywołanej promieniowaniem
W ramach projektu ATMO dostosowany został model klimatu Ziemi – model ogólnej cyrkulacji (GCM) – stosowany do symulacji wywołanej promieniowaniem cyrkulacji w atmosferze egzoplanet, które są nazywane „gorącymi jowiszami”. Chociaż te gazowe olbrzymy przypominają naszego Jowisza, przez to, że znajdują się bardzo blisko swoich gwiazd, temperatury panujące na ich powierzchni są niezwykle wysokie. „Naszym zamiarem było scharakteryzowanie cyrkulacji mającej miejsce w głębszych warstwach atmosfery takich planet na przestrzeni tysięcy lat, a nie zwyczajowych setek dni”, dodaje Tremblin. Praca zespołu zaowocowała pierwszymi badaniami „paleoklimatycznymi” dla gorących jowiszów. Co więcej, jeden z członków zespołu badawczego ATMO jest obecnie kierownikiem badań w tej dziedzinie.
Dwa przełomowe odkrycia
Dzięki pracy zespołu projektu ATMO udało się wyjaśnić zagadkę, z którą naukowcy mieli już od dawna problem. Dotyczy ona gorących jowiszów i ich zbyt dużego promienia (często około dwukrotnie większego) w stosunku do Jowisza w naszym Układzie Słonecznym. Od czasu zaobserwowania pierwszego gorącego jowisza ponad 20 lat temu uczeni tłumaczyli tę dysproporcję na wiele sposobów. „My pokazaliśmy, że sama pionowa cyrkulacja atmosferyczna może wytworzyć gorącą głęboką atmosferą, zastępując zimną ciecz w głębokich warstwach cieczą podgrzaną w górnych warstwach”, wyjaśnia Tremblin. „Zostało to wcześniej przeoczone, ponieważ w symulacjach GCM początkowo ustawione temperatury były zbyt zimne, a ramy czasowe zbyt krótkie, aby uchwycić wzrost temperatury”. Uczestnicy projektu ATMO zademonstrowali kolejne zalety swojej teorii konwekcji diabatycznej, stosując ją do opisu znanych układów konwekcyjnych, takich jak: wilgotna konwekcja w atmosferze ziemskiej, oceaniczna konwekcja termohalinowa, konwekcja z efektem „palców” (ang. fingering convection) we wnętrzach gwiazd oraz konwekcja pary/cieczy w układach chłodzenia elektrowni jądrowych. „Nasza teoria może również uwzględniać konwekcję radiacyjną/chemiczną w atmosferach egzoplanet, która występuje na skutek powolnych reakcji chemicznych z udziałem węgla i azotu oraz szybkich procesów radiacyjnych spowodowanych nieprzezroczystością tych cząsteczek”, zauważa Tremblin.
Przyszłość badań
Praca zespołu projektu ATMO nad konwekcją diabatyczną przyczyniła się już do stworzenia modeli atmosfery egzoplanet, które pomagają interpretować dane obserwacyjne uzyskane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Opracowane w ramach projektu modele ogólnej cyrkulacji zostały również wykorzystane do przewidywania zawyżonych promieni gorących jowiszów. „Udało nam się odtworzyć gorącą głęboką atmosferę, co jest niezbędne do wyjaśnienia, dlaczego egzoplaneta WASP-76b ma tak duży promień”, dodaje Tremblin.
Słowa kluczowe
ATMO, Jowisz, egzoplaneta, atmosfera, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, konwekcja, cyrkulacja, planeta, Układ Słoneczny
