Последние наблюдения астрономов показывают, что скалистая экзопланета, вращающаяся вокруг звезды, похожей на Солнце, на очень близком расстоянии, на самом деле сохраняет относительно плотную атмосферу. Этот результат подрывает традиционное понимание людьми эволюции таких планет. Эта «суперЗемля» под названием TOI-561 b примерно в два раза тяжелее Земли, но имеет экстремальные условия и, как полагают, полностью покрыта глобальным океаном магмы.

Исследование, проведенное Научным институтом Карнеги и основанное на наблюдениях космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST), является одним из самых убедительных на сегодняшний день доказательств существования атмосфер на скалистых экзопланетах. TOI-561 b вращается вокруг звезды, которая немного меньше и холоднее Солнца. Орбитальное расстояние составляет лишь около одной сороковой расстояния между Меркурием и Солнцем. Поэтому орбитальный период составляет всего около 10,56 часов, и одна сторона всегда подвергается сильному излучению звезды.

Согласно существующим теориям, планета такого размера и сильной жары должна быстро потерять атмосферу после своего образования и превратиться в «голую скалу». Однако, проанализировав инфракрасные данные телескопа Уэбб, команда обнаружила, что планета окутана довольно плотной атмосферой, что явно не соответствует предыдущим ожиданиям относительно планет со сверхкоротким периодом существования. Этот остаток атмосферы также помогает объяснить необычно низкую среднюю плотность TOI-561 b — хотя это каменистая планета, ее общая плотность меньше, чем ожидалось, исходя из состава, подобного Земле.

Джоанна Теске, один из руководителей проекта и астроном из Carnegie Science, отметила, что при разработке плана наблюдения команда рассматривала другое возможное объяснение: планета может иметь меньшее железное ядро ​​и мантию, состоящую из горных пород низкой плотности, что снижает общую плотность. Она подчеркнула, что TOI-561 b особенна еще и тем, что ее родительская звезда принадлежит к области толстого диска Млечного Пути, примерно в два раза старше Солнца и бедна железом. Это означает, что химическая среда при формировании планеты полностью отличалась от среды Солнечной системы и может представлять собой типичный образец планет, образовавшихся в ранней Вселенной.

Однако одних только внутренних компонентов аномалии недостаточно для объяснения всех наблюдаемых явлений. Поэтому исследовательская группа сосредоточила свое внимание на возможной плотной атмосфере планеты и предположила, что именно эта атмосфера заставила планету казаться «больше», тем самым сделав расчетную среднюю плотность ниже. Чтобы проверить эту гипотезу, астрономы использовали спектрометр ближнего инфракрасного диапазона телескопа Уэбб (NIRSpec), чтобы определить температуру на дневной стороне планеты, измеряя изменения яркости системы, когда она «идет за звездой».

Согласно теории, если TOI-561 b представляет собой «голую скалу» без атмосферы и не может переносить тепло на ночную сторону, то ее дневная температура должна быть близка примерно к 4900 градусам по Фаренгейту (около 2700 градусов по Цельсию). Реальные наблюдения показывают, что температура на дневной стороне планеты составляет около 3200 градусов по Фаренгейту (около 1800 градусов по Цельсию), что все еще очень жарко, но значительно ниже, чем предсказывают модели без атмосферы. Исследовательская группа сравнила несколько сценариев: тепловая конвекция самого магматического моря может в определенной степени переносить тепло, но в отсутствие атмосферы сторона, обращенная от звезды, вероятно, остынет и затвердеет, что ограничивает перенос тепла на ночную сторону.

Другая гипотеза состоит в том, что над морем магмы на поверхности планеты существует чрезвычайно тонкий слой каменного пара, но модели показывают, что одной такой «паровой шапки» недостаточно для создания столь значительного охлаждающего эффекта. Анджали Пиетт, ученый из Бирмингемского университета в Великобритании, принимавший участие в исследовании, отметил, что для полного объяснения этих наблюдений необходима плотная атмосфера, богатая летучими веществами. Сильные ветры будут переносить тепло с дневной стороны на ночную, а такие газы, как водяной пар, будут поглощать часть ближнего инфракрасного излучения, уменьшая световой поток, получаемый телескопом, благодаря чему планета будет выглядеть «холоднее». Яркие силикатные облака также могут еще больше охладить атмосферу, отражая свет звезд, добавила она.

Подтверждая существование атмосферы, возникает еще один ключевой вопрос: как такая маленькая и горячая планета может поддерживать плотную атмосферу в условиях интенсивного излучения? Исследователи полагают, что, хотя некоторое количество газа должно продолжать улетучиваться в космос, скорость утечки может быть намного ниже, чем первоначально ожидалось. Тим Лихтенберг из Университета Гронингена в Нидерландах предположил, что существует динамический баланс между морем магмы на поверхности планеты и атмосферой: с одной стороны, газ непрерывно выходит из недр планеты, чтобы пополнить атмосферу, а с другой стороны, магма «засасывает» часть газа обратно в недра звезды.

Судя по наблюдениям и модельным выводам, для поддержания такого состояния TOI-561 b должен быть гораздо богаче летучими веществами, чем Земля, и его можно образно назвать «мокрым лавовым шаром». Теске сказал, что новый набор данных не только дает первые четкие доказательства, но и поднимает больше новых вопросов, чем ответов, особенно о формировании и долгосрочной эволюции скалистых планет со сверхкоротким периодом существования.

Этот результат является первым научным результатом проекта General Observer Telescope Webb 3860. Проект продолжал наблюдать за системой TOI-561 более 37 часов, в течение которых планета почти совершила четыре оборота. В настоящее время команда продолжает анализировать полные данные, чтобы составить карту распределения температуры по окружности планеты и более точно определить состав ее атмосферы. Исследователи из Лаборатории Земли и планет Карнеги принимали активное участие в проекте Уэбба с момента его зарождения и в настоящее время руководят более чем десятью темами в течение первых четырех циклов наблюдений телескопа, включая многие передовые направления, такие как атмосферы экзопланет и формирование галактик.

Майкл Уолтер, директор Лаборатории Земли и планет Карнеги, сказал, что эти открытия полностью согласуются с долгосрочными достижениями агентства в области эволюции и динамики планет и будут способствовать общему пониманию человечеством характеристик экзопланет. Он предсказывает, что по мере того, как будет выделено больше времени для наблюдений, в следующем году произойдет новый раунд научных открытий Уэбба под руководством команды Карнеги. Соответствующая исследовательская статья была опубликована в «Astrophysical Letters» под названием «Плотная летучая атмосфера на сверхгорячей суперЗемле TOI-561 b», в которой подробно описаны технические детали и выводы измерения температуры, модели атмосферы и вывода о внутренней структуре планеты.

Составлено из /ScitechDaily