Последние наблюдения с космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST) показывают существование странных облаков, состоящих из соли вокруг экзопланеты, получившей прозвище «Розовая планета», предоставляя прямые доказательства структуры атмосферы одного из самых холодных планетоподобных спутников во Вселенной и раскрывая тайну, которая озадачивала астрономическое сообщество более десяти лет. Соответствующее исследование было проведено Северо-Западным университетом и опубликовано в Астрономическом журнале 18 июня.

«Розовая планета», официально обозначенная GJ 504 b, была впервые обнаружена в 2013 году и вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, примерно в 57 световых годах от Земли. Несмотря на прозвище «планета», учёные не совсем уверены, следует ли её классифицировать как настоящую планету: она примерно в 25 раз превышает массу Юпитера и близка к разделительной линии между планетами-гигантами и коричневыми карликами, поэтому исследователи более осторожно называют её «спутником планетарной массы», планетоподобным объектом, вращающимся вокруг звезды.

GJ 504 b долгое время было трудно изучать из-за чрезвычайно низкой температуры и слабой яркости. Большинство экзопланет, изображения которых были непосредственно получены до сих пор, имеют температуру от 1000 до 2000 градусов по Фаренгейту (от 538 до 1093 градусов по Цельсию), в то время как GJ 504 b имеет температуру всего около 550 градусов по Фаренгейту (около 290 градусов по Цельсию), примерно такую ​​же температуру, как и хлеб, выпекаемый в духовке. Исследовательская группа проанализировала, что это относительно «холодное» состояние отражает ее очень старый возраст — планеты-гиганты чрезвычайно горячие, когда они рождаются, но постепенно остывают в течение миллиардов лет. Возраст GJ 504 b оценивается от 2,5 до 4 миллиардов лет.

Аниш Бабурадж, научный сотрудник Центра астрофизики Северо-Западного университета (CIERA), которая руководила исследованием, отметила, что «розовая планета — самый холодный звездный объект-компаньон, обнаруженный с помощью наземных инструментов». За последнее десятилетие или около того многие команды пытались использовать крупнейшие в мире наземные телескопы для проведения последующих наблюдений с целью получения спектров атмосферы, но все они потерпели неудачу, потому что цели были слишком слабыми. Для сравнения, космический телескоп Джеймса Уэбба с его высокочувствительными возможностями инфракрасного наблюдения смог успешно разделить спектр атмосферы этой звезды-компаньона примерно за два часа наблюдения, став ключевым новым инструментом для изучения таких «холодных темных миров».

В этом наблюдении исследователи использовали JWST для получения высококонтрастных изображений главной звезды и ее звезды-компаньона, а также использовали передовые методы обработки данных для устранения сильного блика родительской звезды и, наконец, извлекли спектральный сигнал, излучаемый самой звездой-компаньоном. Разбивая свет на волны разной длины, учёные могут анализировать химические «отпечатки пальцев» в атмосфере и делать выводы о типах элементов и молекул, присутствующих в ней. После успешного получения спектра команда быстро поняла, что атмосферные характеристики «розовой планеты» «сильно отличаются от всего, что анализировалось ранее», сказал Бабурадж.

Результаты спектрального анализа показывают, что атмосфера GJ 504 b содержит водяной пар, метан, углекислый газ, аммиак и множество других молекулярных компонентов. Однако, когда исследовательская группа сравнила эти наблюдения с существующими атмосферными моделями, они первоначально едва смогли сопоставить данные, когда были введены нереальные экстремальные условия, что явно противоречило здравому смыслу в физике. Настоящий прорыв произошел после того, как ученые начали добавлять облака в свои симуляции: когда в модель были введены различные типы облаков и одно за другим протестировано их влияние на спектр, модель соляного облака намного лучше соответствовала измеренным данным, чем другие варианты.

Исследование указывает на то, что эти соляные облака, возможно, затмили более глубокие слои атмосферы планеты, в результате чего спектральные сигналы, обнаруженные JWST, в конечном итоге пришли в основном из областей над облаками или вблизи них, тем самым изменяя характеристики молекулярного поглощения и рассеяния. Бабурадж сказал: «После того, как мы добавили облака в симуляцию, результаты начали соответствовать нашему теоретическому пониманию холодных планет; мы попробовали три разных типа облаков, и схема соляных облаков подошла лучше всего». После учета влияния соляных облаков характеристики молекул атмосферы, скрытых в более глубоких слоях, были умеренно ослаблены, и спектральная модель наконец стала физически обоснованной.

Считается, что эта работа является первым прямым доказательством существования соляных облаков в атмосфере холодного объекта планетарной массы, а также подтверждает класс теоретических предсказаний, выдвинутых научным сообществом более десяти лет назад. В то же время наблюдения также показывают, что GJ 504 b необычайно богата тяжелыми элементами — элементами, отличными от водорода и гелия, которые астрономы все вместе называют «металлами», — что может означать, что процесс ее образования отличается от процесса формирования обычных планет-гигантов. На основании имеющихся данных исследовательская группа до сих пор не может определить, является ли небесное тело ближе к «планете-гиганту», образовавшейся в результате скопления планетарных дисков, или же оно больше похоже на маленькую звезду или коричневый карлик, образовавшийся в результате гравитационного коллапса. Вопрос о его происхождении еще требует дальнейшего углубленного изучения.

Исследователи подчеркнули, что метод, продемонстрированный телескопом Джеймса Уэбба в этом исследовании, откроет новое окно для изучения более похожих слабых и холодных объектов. Юпитер, например, имеет толстые облака аммиачного льда, покрывающие его верхние слои атмосферы, но существующие инструменты до сих пор не могут наблюдать эти облачные структуры с таким же уровнем детализации, как у GJ 504 b. Сегодня успешное обнаружение соляных облаков в атмосфере GJ 504 b показывает, что астрономы неуклонно расширяют типы холодных миров, которые можно детально изучить, обеспечивая важную основу для будущих исследований облаков и атмосферных структур внутри и за пределами Солнечной системы.

Бабурадж отметил, что впервые обнаружено, что соляные облака играют «критическую роль» в интерпретации спектра холодного объекта массой с планету, что имеет важные последствия для построения и корректировки атмосферных моделей. Он напомнил: «Это важное напоминание: присутствие и воздействие облаков необходимо более систематически учитывать при моделировании». Поскольку JWST продолжает проводить высококонтрастные изображения и спектроскопические наблюдения, ученые ожидают, что более холодные темные экзокомпаньоны, такие как GJ 504 b, будут тщательно изучены, тем самым помогая людям более полно понять разнообразные планеты и подзвездные миры во Вселенной.