Ученые изучили экзопланету TOI-561 b. Это лавовый мир, вращающийся чрезвычайно близко к своей звезде — красного карлика. Астрономы были удивлены, когда узнали, что у нее есть атмосфера.
Скалистая экзопланета с атмосферой
Команда астрономов под руководством Карнеги обнаружила убедительные доказательства существования атмосферы вокруг скалистой планеты за пределами нашей солнечной системы. В своей работе, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, они использовали телескоп James Webb NASA, чтобы обнаружить инопланетную атмосферу в неожиданном месте — на древней, очень горячей суперземле, вероятно, имеющей магматический океан.
TOI-561 b — это скалистый мир, масса которого примерно вдвое превышает земную, но мало похож на нашу родную планету из-за своей близости к звезде, вокруг которой он вращается. Хотя эта звезда несколько меньше по массе и холоднее нашего Солнца, планета вращается на расстоянии, составляющем одну сороковую часть расстояния от Меркурия в нашей Солнечной системе. На TOI-561 b год длится всего 10,56 часа, а одна сторона планеты находится в вечном дневном свете.
«На основе того, что мы знаем о других системах, астрономы бы предусмотрели, что такая планета слишком мала и горяча, чтобы удержать свою атмосферу в течение длительного времени после образования, — объяснила Николь Уоллак, доктор наук Карнеги, второй автор статьи. — Но наши наблюдения свидетельствуют, что она окружена относительно толстым слоем газа, что противоречит общепринятому мнению о планетах с ультракоротким периодом вращения».
В нашей Солнечной системе меньшие и более горячие планеты не смогли удержать окружающую их в годы формирования первичную оболочку газа. Но звезда, вокруг которой вращается TOI-561 b, намного старше нашего Солнца, и ее атмосфера остается нетронутой. Наличие этой атмосферы поможет объяснить необычно низкую плотность планеты.
Объяснение низкой плотности экзопланеты
При разработке программы наблюдений команда учла, что низкая плотность планеты может объясняться относительно небольшим железным ядром и мантией, составленной из горных пород, плотность которых меньше, чем у горных пород, составляющих внутреннюю часть Земли.
Джоанна Теске, главный автор статьи, отмечает, что это может иметь смысл: «TOI-561 b отличается среди планет с ультракоротким периодом вращения тем, что она вращается вокруг очень старой — вдвое старше Солнца — звезды, бедной железом, в области Млечного Пути, известной как толстый диск. Она, видимо, образовалась в химической среде, очень отличной от среды, в которой образовались планеты нашей Солнечной системы».
Это означает, что ее состав может быть типичным для образовавшихся планет, когда Вселенная была относительно молодой. Но экзотический внутренний слог не может объяснить все.
Принимая решение об исследовании TOI-561 b, группа ученых также предположила, что эта планета может быть окружена плотной атмосферой, которая делает ее больше и, следовательно, менее плотной.
Инфракрасные исследования планеты
Чтобы проверить наличие атмосферы в TOI-561b, астрономы использовали прибор JWST Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) для измерения температуры дневной стороны планеты на основе ее яркости в ближнем инфракрасном диапазоне. Эта техника, которая предусматривает измерение уменьшения яркости звездно-планетной системы, когда планета движется по звезде, похожа на используемую для поиска атмосфер в системе TRAPPIST-1 и на других скалистых мирах.
Если бы TOI-561 b была голой скалой без атмосферы, которая переносила бы тепло на ночную сторону, температура на ее дневной стороне должна была приближаться к 4900 градусов Фаренгейта (2700 градусов Цельсия). Но наблюдения NIRSpec показывают, что температура на дневной стороне планеты, кажется, ближе к 3200 градусам Фаренгейта (1800 градусов Цельсия) — все еще очень высока, но гораздо ниже, чем ожидалось.
Чтобы объяснить эти результаты, команда рассмотрела несколько разных сценариев. Магматический океан мог бы циркулировать некоторое тепло, но без атмосферы ночная сторона, вероятно, была бы жесткой, ограничивая отток тепла с дневной стороны. Также возможен тонкий слой парообразной породы на поверхности магматического океана, но сам по себе он, вероятно, имел гораздо меньший охлаждающий эффект, чем наблюдается.
Поэтому ученым потребовалась плотная атмосфера, богатая летучими веществами, чтобы объяснить все наблюдения.
Удержание атмосферы
Хотя наблюдения JWST предоставляют убедительные доказательства существования такой атмосферы, остается вопрос: как маленькая планета, подвергающаяся такому интенсивному излучению, может содержать любую атмосферу, не говоря уже о столь значительной? Некоторые газы, вероятно, утекают в космос, но, возможно, не так эффективно, как ожидалось.
Мы считаем, что между магматическим океаном и атмосферой существует равновесие. В то время как газы выходят из планеты, чтобы питать атмосферу, магматический океан засасывает их обратно в недра», — сказал соавтор исследования Тим Лихтенберг из Университета Гронингена в Нидерландах, который также является членом команды проекта AEThER (Atmospheric Empirical Theoretical and Experimental Research).
Впечатляющие результаты телескопа James Webb в исследованиях
Это первые результаты программы JWST General Observers Program 3860, в рамках которой система наблюдалась непрерывно в течение более 37 часов, пока TOI-561 b совершила почти четыре полных оборота вокруг звезды. Сейчас команда анализирует полный набор данных, чтобы составить карту температуры по всему периметру планеты и уточнить состав атмосферы.
Лидерство Теске и Валлака в этой статье о JWST является продолжением традиции научного совершенства Карнеги, которая берет свое начало от первых замыслов миссии тридцать лет назад и простирается через первые четыре цикла разделения времени на революционном космическом телескопе.
С момента завершения калибровки телескопа James Webb и начала сбора данных для астрономических исследовательских программ Теске, Валлак и другие ученые, связанные с Лабораторией Земли и планет Карнеги и обсерваториями, возглавили более десятка команд телескопа и объявили о революционных результатах в отношении атмосфер экзопланет, формирования галактик и т. д.
«Эти прорывы, достигнутые благодаря JWST, напрямую связаны с нашим многолетним опытом в понимании того, как характеристики экзопланет формируются под влиянием эволюции и динамики планет, — сказал директор Лаборатории Земли и планет Майкл Уолтер. — На горизонте появляются все более увлекательные результаты, и мы готовы к новой волне научных исследований под руководством Карнеги в следующем году».
По материалам phys.org
