Уперше інструмент для пошуку планет на відстані світлових років був використаний на об’єкті в Сонячній системі під час дослідження вітрів Юпітера. Ми опинилися в той час, коли виявлення планет, що обертаються навколо іншої зірки, стало майже звичним явищем, і вже зареєстровано понад 5000. Перші віддалені світи, які включили цей список, були в основному гігантськими планетами, схожими на Юпітер і Сатурн, але також дуже відрізнялися від них багато в чому.
Астрофізики вже почали отримувати дані про атмосфери екзопланет, але на фундаментальні питання про атмосферу найбільшої планети Сонячної системи ще немає відповідей. Щоб зрозуміти, що відбувається в хмарах і повітряних шарах Юпітера, необхідно вивчити це протягом тривалого часу в безперервних спостереженнях.
Вперше інструмент, розроблений для пошуку та аналізу світів на відстані світлових років, екзопланет, був спрямований на ціль у Сонячній системі, що знаходиться на відстані 43 світлових хвилин від Землі: планету Юпітер.
Дослідники з Інституту астрофізики та космічних наук (IA) факультету наук Лісабонського університету (Португалія) (Ciências ULisboa) використовували спектрограф ESPRESSO, встановлений на телескопі VLT в Європейській південній обсерваторії (ESO), для вимірювання швидкості вітру на Юпітері. Результати зараз опубліковані в журналі Universe.
Метод, який розробила команда, називається доплерівською велосиметрією і заснований на відображенні видимого світла від сонця хмарами в атмосфері цільової планети. Це відбите світло викривляється за довжиною хвилі пропорційно швидкості, з якою хмари рухаються відносно телескопа на Землі. Це дає миттєву швидкість вітру в спостережуваній точці.
Метод, який зараз використовується з ESPRESSO, був розроблений дослідницькою групою планетарних систем IA разом з іншими спектрографами для вивчення атмосфери Венери. Дослідники вимірювали вітри цієї сусідньої планети та брали участь у моделюванні її загальної атмосфери протягом кількох років.
Дослідницьке застосування цього методу з інструментом «найвищого діапазону», таким як ESPRESSO, привело до успіху, який відкриває нові горизонти для пізнання нашого космічного сусідства. Ця робота підтверджує доцільність систематичного моніторингу найвіддаленіших атмосфер газоподібних планет.
Протягом п’яти годин у липні 2019 року команда наводила телескоп VLT на екваторіальну зону Юпітера, де легкі хмари розташовані на більшій висоті, а також на північний і південний екваторіальні пояси цієї планети, які відповідають спускаючому повітрю і яким вона утворює смуги темних тепліших хмар у глибшому шарі атмосфери.
«Атмосфера Юпітера на рівні хмар, видимих із Землі, містить аміак, гідросульфід амонію та воду, які утворюють чіткі червоні та білі смуги», — каже Педро Мачадо з IA та Ciências ULisboa, «Верхні хмари, розташовані в зоні тиску від 0,6 до 0,9 бара, складаються з аміачного льоду. Водяні хмари утворюють найщільніший, найнижчий шар і мають найсильніший вплив на динаміку атмосфери», – додає дослідник.
За допомогою ESPRESSO команда змогла виміряти вітри на Юпітері від 60 до 428 км/год з похибкою менше 36 км/год. Ці спостереження, застосовані за допомогою приладу з високою роздільною здатністю до газоподібної планети, мають свої проблеми: «Одна з труднощів, зосереджена на «навігації» по диску Юпітера, тобто точному знанні, на яку точку диска планети ми вказуємо, через до величезної роздільної здатності телескопа VLT», — пояснює Педро Мачадо.
«У самому дослідженні складність була пов’язана з тим, що ми визначали вітри з точністю до кількох метрів на секунду, коли обертання Юпітера на екваторі становить близько десяти кілометрів на секунду, і, що ускладнює ситуацію, оскільки це газоподібна планета, а не тверде тіло, вона обертається з різною швидкістю в залежності від широти точки, яку ми спостерігаємо», — додає дослідник.
Щоб перевірити ефективність доплерівської велосиметрії з телескопів на Землі для вимірювання вітру на Юпітері, команда також зібрала вимірювання, отримані в минулому, щоб порівняти результати. Більшість існуючих даних було зібрано інструментами в космосі та використано інший метод, який полягає в отриманні значень середньої швидкості вітру шляхом відстеження структури хмар на зображеннях, зроблених найближчим часом.
Узгодженість між цією історією та значеннями, виміряними в опублікованому дослідженні, підтверджує доцільність впровадження доплерівської велосиметрії в програму моніторингу вітрів Юпітера з Землі.
Моніторинг дозволить дослідницькій групі збирати дані про те, як вітри змінюються з часом, і буде важливим для розробки надійної моделі глобальної циркуляції атмосфери Юпітера.
Ця обчислювальна модель має відтворити різницю у вітрах залежно від широти та штормів Юпітера, щоб допомогти зрозуміти причини атмосферних явищ, які ми спостерігаємо на цій планеті. І навпаки, модель допоможе підготуватися до майбутніх спостережень з інформацією про тиск і висоту хмар у прицілі телескопа.
Команда має намір розширити спостереження за допомогою ESPRESSO до більшого покриття диска планети Юпітер, а також тимчасово збирати дані про вітри протягом усього періоду обертання планети, який становить майже 10 годин. Обмеження спостережень певними діапазонами довжин хвиль також дасть можливість вимірювати вітри на різних висотах, отже отримуючи інформацію про вертикальне переміщення шарів повітря.
Після того, як методика буде освоєна для найбільшої планети Сонячної системи, команда сподівається застосувати її до атмосфер інших газоподібних планет, з Сатурном як наступною метою.
Успіх цих спостережень за допомогою ESPRESSO виявляється важливим у той час, коли його наступник, ANDES, проектується для майбутнього Надзвичайно великого телескопа (ELT), також від ESO, який зараз будується в Чилі, а також для майбутньої місії JUICE, від Європейського космічного агентства, присвячений Юпітеру і який надасть додаткові дані.