Новейшие наблюдения, выполненные космическим телескопом «Джеймс Уэбб» Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), принесли самые убедительные на сегодняшний день свидетельства существования атмосферы у каменистой планеты за пределами нашей Солнечной системы. Исследования ультрагорячей суперземли TOI-561 b показывают, что эта экзопланета, вероятно, окутана толстым слоем газов, расположенным над глобальным океаном расплавленной породы.
Эти результаты, опубликованные 11 декабря в журнале The Astrophysical Journal Letters, помогают объяснить удивительно низкую плотность планеты. Открытие бросает вызов давнему представлению о том, что относительно небольшие планеты, обращающиеся очень близко к своим звёздам, не могут удерживать атмосферу.
TOI-561 b имеет радиус примерно в 1,4 раза больше земного и совершает полный оборот вокруг своей звезды менее чем за 11 часов, что позволяет отнести её к редкой группе ультракороткопериодических экзопланет. Её звезда-хозяин лишь немного меньше и холоднее Солнца, но TOI-561 b обращается вокруг неё на чрезвычайно близком расстоянии – менее одного миллиона миль, что составляет примерно одну сороковую часть расстояния между Меркурием и Солнцем. Такое положение почти наверняка навсегда заблокировало одну сторону планеты к звезде. На этой постоянно освещённой стороне температура, как ожидается, должна намного превышать точку плавления обычных пород.
Учёные полагают, что объяснить все наблюдаемые явления может только плотная, богатая летучими веществами атмосфера. Сильные ветры могли бы охлаждать дневную сторону, перенося тепло на ночную. «Газы, такие как водяной пар, поглощали бы определённые длины волн ближнего инфракрасного света, излучаемого поверхностью, прежде чем они достигли бы атмосферы. Планета выглядела бы холоднее, потому что телескоп фиксировал бы меньше света, но также возможно, что существуют яркие силикатные облака, которые охлаждают атмосферу, отражая звёздный свет», – пояснила соавтор исследования доктор Анджали Пиетт из Университета Бирмингема.
Одной из возможных причин необычно низкой плотности планеты, которую исследовали учёные, является предположение, что TOI-561 b может содержать относительно небольшое железное ядро и мантию, состоящую из породы менее плотной, чем недра Земли. Ведущий автор исследования Йоханна Теске, штатный научный сотрудник Лаборатории Земли и планет в Carnegie Science, подчеркнула: «Что действительно отличает эту планету, так это её аномально низкая плотность. Она менее плотная, чем можно было бы ожидать, если бы она имела земной состав».
TOI-561 b отличается от других ультракороткопериодических планет тем, что она обращается вокруг очень старой, бедной железом звезды – вдвое старше нашего Солнца – в области Млечного Пути, известной как толстый диск. Это означает, что планета должна была сформироваться в совершенно иной химической среде, чем планеты нашей Солнечной системы. Из-за этого состав планеты может напоминать миры, образовавшиеся, когда сама Вселенная была ещё относительно молода.
Исследовательская группа также выдвинула предположение, что TOI-561 b может быть окутана существенной атмосферой, из-за которой планета кажется больше, чем её твёрдое тело отдельно. Хотя теория предполагает, что небольшие планеты, миллиарды лет подвергавшиеся интенсивному звёздному излучению, должны терять любые газы, которые у них когда-то были, некоторые такие миры всё ещё демонстрируют признаки того, что они не являются просто голой скалой или обнажённой лавой.
Используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) телескопа «Уэбб» для измерения температуры дневной стороны планеты на основе её ближнего инфракрасного излучения, исследователи проверили идею о наличии атмосферы у TOI-561 b. Этот метод включает отслеживание падения яркости объединённой системы звезды и планеты, когда планета проходит за звездой. Аналогичные методы используются для поиска атмосфер в системе TRAPPIST-1 и на других малых каменистых экзопланетах.
Если бы TOI-561 b была просто голой каменистой поверхностью без атмосферы, способной передавать тепло на ночную сторону, её освещённое полушарие должно было бы достигать примерно 2700 градусов Цельсия. Однако данные NIRSpec показывают, что температура дневной стороны ближе к 1800 градусам Цельсия – всё ещё чрезвычайно горячо, но значительно холоднее, чем ожидалось.
Чтобы объяснить эту более низкую, чем предсказывалось, температуру, учёные рассмотрели несколько сценариев. Глобальный магматический океан мог бы переносить часть тепла с дневной стороны на ночную, но без атмосферы постоянно тёмная сторона затвердела бы, ограничивая объём перераспределяемой энергии. Мог бы существовать тонкий слой паров породы над расплавленной поверхностью, но сам по себе он не обеспечил бы достаточного охлаждения, чтобы соответствовать наблюдениям.
Хотя измерения «Уэбба» убедительно подтверждают присутствие атмосферы, остаётся важная загадка: как относительно небольшая планета, подвергающаяся такому интенсивному излучению, может вообще сохранять какую-либо атмосферу, особенно такую, которая кажется настолько существенной? «Мы полагаем, что существует равновесие между магматическим океаном и атмосферой. В то время как газы извергаются из планеты, питая атмосферу, магматический океан засасывает их обратно внутрь. Эта планета должна быть намного, намного богаче летучими веществами, чем Земля, чтобы объяснить наблюдения. Это действительно похоже на влажный шар лавы», – сказал соавтор Тим Лихтенберг из Гронингенского университета, Нидерланды.
Эти выводы получены в результате первых данных программы «Общие наблюдатели» (General Observers Program 3860), в рамках которой система непрерывно наблюдалась более 37 часов, пока TOI-561 b совершила почти четыре полных оборота вокруг своей звезды. Теперь команда детально изучает весь набор данных, чтобы определить, как температура варьируется по всей планете, и лучше уточнить состав её атмосферы. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» – это главная космическая научная обсерватория в мире. «Уэбб» разгадывает тайны нашей Солнечной системы, заглядывает за её пределы к далёким мирам вокруг других звёзд и исследует таинственные структуры и происхождение нашей Вселенной и нашего места в ней. «Уэбб» – это международная программа, руководимая NASA совместно с партнёрами – Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством (CSA).
