Вчені дослідили екзопланету TOI-561 b. Це лавовий світ, що обертається надзвичайно близько до своєї зорі — червоного карлика. Астрономи були здивовані, коли дізналися, що у неї є атмосфера.
Скеляста екзопланета з атмосферою
Команда астрономів під керівництвом Карнегі виявила найпереконливіші докази існування атмосфери навколо скелястої планети за межами нашої Сонячної системи. У своїй роботі, опублікованій в журналі The Astrophysical Journal Letters, вони використовували телескоп James Webb NASA, щоб виявити інопланетну атмосферу в несподіваному місці — на стародавній, надзвичайно гарячій суперземлі, яка, ймовірно, має магматичний океан.
TOI-561 b — це скелястий світ, маса якого приблизно вдвічі перевищує земну, але який мало схожий на нашу рідну планету через свою близькість до зорі, навколо якої він обертається. Хоча це світило дещо менше за масою і холодніше за наше Сонце, планета обертається на відстані, що становить одну сорокову частину відстані від Меркурія в нашій Сонячній системі. На TOI-561 b рік триває всього 10,56 години, а одна сторона планети перебуває у вічному денному світлі.
«На основі того, що ми знаємо про інші системи, астрономи б передбачили, що така планета занадто мала і гаряча, щоб утримати свою атмосферу протягом тривалого часу після утворення, — пояснила Ніколь Воллак, докторка наук Карнегі, друга авторка статті. — Але наші спостереження свідчать, що вона оточена відносно товстим шаром газу, що суперечить загальноприйнятій думці про планети з ультракоротким періодом обертання».
У нашій Сонячній системі менші та гарячіші планети не змогли утримати первинну оболонку газу, яка оточувала їх у роки формування. Але зоря, навколо якої обертається TOI-561 b, набагато старша за наше Сонце, і її атмосфера залишається недоторканою. Наявність цієї атмосфери може допомогти пояснити незвично низьку щільність планети.
Пояснення низької щільності екзопланети
При розробці програми спостережень команда врахувала, що низька щільність планети може пояснюватися відносно невеликим залізним ядром і мантією, складеною з гірських порід, щільність яких менша, ніж у гірських порід, що складають внутрішню частину Землі.
Джоанна Теске, головна авторка статті, зазначає, що це може мати сенс: «TOI-561 b відрізняється серед планет з ультракоротким періодом обертання тим, що вона обертається навколо дуже старої — удвічі старшої за Сонце — зорі, бідної на залізо, в області Чумацького Шляху, відомій як товстий диск. Вона, мабуть, утворилася в хімічному середовищі, дуже відмінному від середовища, в якому утворилися планети нашої Сонячної системи».
Це означає, що її склад може бути типовим для планет, які утворилися, коли Всесвіт був відносно молодим. Але екзотичний внутрішній склад не може пояснити все.
Ухвалюючи рішення про дослідження TOI-561 b, група науковців також припустила, що ця планета може бути оточена густою атмосферою, яка робить її більшою і, отже, менш щільною.
Інфрачервоні дослідження планети
Щоб перевірити наявність атмосфери у TOI-561 b, астрономи використовували прилад JWST Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) для вимірювання температури денної сторони планети на основі її яскравості у ближньому інфрачервоному діапазоні. Ця техніка, яка передбачає вимірювання зменшення яскравості зоряно-планетної системи, коли планета рухається за зіркою, схожа на ту, що використовується для пошуку атмосфер у системі TRAPPIST-1 та на інших скелястих світах.
Якби TOI-561 b була голою скелею без атмосфери, яка б переносила тепло на нічну сторону, температура на її денній стороні мала б наближатися до 4900 градусів Фаренгейта (2700 градусів Цельсія). Але спостереження NIRSpec показують, що температура на денній стороні планети, здається, ближча до 3200 градусів Фаренгейта (1800 градусів Цельсія) — все ще надзвичайно висока, але набагато нижча, ніж очікувалося.
Щоб пояснити ці результати, команда розглянула кілька різних сценаріїв. Магматичний океан міг би циркулювати деяке тепло, але без атмосфери нічна сторона, ймовірно, була б твердою, обмежуючи відтік тепла з денної сторони. Також можливий тонкий шар пароподібної породи на поверхні магматичного океану, але сам по собі він, ймовірно, мав би набагато менший охолоджувальний ефект, ніж спостерігається.
Тому вченим потрібна була щільна атмосфера, багата на летючі речовини, щоб пояснити всі спостереження.
Утримання атмосфери
Хоча спостереження JWST надають переконливі докази існування такої атмосфери, залишається питання: як маленька планета, що піддається такому інтенсивному випромінюванню, може утримувати будь-яку атмосферу, не кажучи вже про таку значну? Деякі гази, мабуть, витікають у космос, але, можливо, не так ефективно, як очікувалося.
«Ми вважаємо, що між магматичним океаном і атмосферою існує рівновага. У той час як гази виходять з планети, щоб живити атмосферу, магматичний океан засмоктує їх назад у надра», — сказав співавтор дослідження Тім Ліхтенберг з Університету Гронінгена в Нідерландах, який також є членом команди проєкту AEThER (Atmospheric Empirical Theoretical and Experimental Research), очолюваного Карнегі.
Дивовижні результати телескопа James Webb у дослідженнях
Це перші результати програми JWST General Observers Program 3860, у межах якої система спостерігалася безперервно протягом більш ніж 37 годин, поки TOI-561 b зробила майже чотири повних оберти навколо зорі. Зараз команда аналізує повний набір даних, щоб скласти карту температури по всьому периметру планети й уточнити склад атмосфери.
Лідерство Теске і Валлака в цій статті про JWST є продовженням традиції наукової досконалості Карнегі, яка бере свій початок від найперших задумів місії тридцять років тому і простягається через перші чотири цикли розподілу часу на революційному космічному телескопі.
З моменту завершення калібрування телескопа James Webb і початку збору даних для астрономічних дослідницьких програм Теске, Валлак та інші вчені, пов’язані з Лабораторією Землі та планет Карнегі та обсерваторіями, очолили понад десяток команд телескопа й оголосили про революційні результати щодо атмосфер екзопланет, формування галактик тощо.
«Ці прориви, досягнуті завдяки JWST, безпосередньо пов’язані з нашим багаторічним досвідом у розумінні того, як характеристики екзопланет формуються під впливом еволюції та динаміки планет, — сказав директор Лабораторії Землі та планет Майкл Волтер. — На горизонті з’являються все більш захопливі результати, й ми готові до нової хвилі наукових досліджень під керівництвом Карнегі в наступному році».
За матеріалами phys.org
