«Уэбб» обнаружил «невозможную» атмосферу у древней суперземли

Группа астрономов обнаружила самые убедительные на сегодняшний день доказательства наличия атмосферы у каменистой планеты за пределами нашей Солнечной системы. С помощью космического телескопа «Уэбб» исследователи выявили признаки наличия газа вокруг необычного объекта: древней, крайне горячей суперземли, поверхность которой, вероятно, покрыта расплавленной породой. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Планета, известная как TOI-561 b, имеет массу примерно в два раза больше массы Земли, но во всех остальных отношениях кардинально отличается от неё. Она вращается вокруг своей звезды на чрезвычайно близком расстоянии — в сорок раз ближе, чем Меркурий к Солнцу. Вопреки то, что её звезда немного меньше и холоднее нашего Солнца, в связи с плотной орбиты планета совершает полный оборот вокруг неё всего за 10,56 часа. Одна сторона планеты постоянно обращена к звезде, из-за чего на ней царит вечный день.

С точки зрения современной астрономии такая планета слишком мала и горяча, чтобы удержать собственную атмосферу на протяжении длительного времени после образования. Но наблюдения показывают, что она окружена относительно плотным газовым слоем, что опровергает традиционные представления о планетах с ультракоротким периодом обращения.

В нашей Солнечной системе планеты, которые одновременно являются небольшими и сильно нагретыми, обычно, теряют свои первоначальные газовые оболочки на ранних этапах истории. Тем не менее TOI-561 b вращается вокруг звезды, гораздо более древней, чем Солнце, и, несмотря на суровые условия, судя по всему, сохранила свою атмосферу.

Возможное наличие атмосферы может помочь объяснить ещё одну загадку: более низкую, чем ожидалось, плотность планеты. Перед анализом новых данных команда рассматривала функция объяснить это одной только структурой планеты. Одна из идей заключалась в том, что у TOI-561 b может быть меньшее железное движок и мантия из более лёгкой породы по сравнению с Землёй.

Эта идея согласуется с происхождением планеты — TOI-561 b отличается от других планет с ультракоротким периодом тем, что обращается вокруг очень старой (в два раза старше Солнца) звезды с низким содержанием железа в области Млечного Пути, известной как толстый диск. Вероятно, она сформировалась в химической среде, сильно отличающейся от той, в которой образовались планеты нашей Солнечной системы.

Исследовательская группа также выдвинула гипотезу, что плотная атмосфера может визуально увеличить размер планеты и, следовательно, занизить метрика её плотности. Чтобы проверить это, учёные использовали ближний инфракрасный спектрограф (NIRSpec) «Уэбба» для измерения температуры дневной стороны планеты, наблюдая за её яркостью в ближнем инфракрасном диапазоне. Этот способ даёт возможность отслеживать изменения яркости системы, когда планета проходит за своей звездой; аналогичная методика применялась и при изучении планет в системе TRAPPIST-1.

Если бы у TOI-561 b не было атмосферы, температура на дневной стороне должна была бы достигать почти 2700 градусов Цельсия. Вместо этого измерения показали более низкую температуру — около 1800 градусов Цельсия. Хотя это всё равно крайне высокая температура, такая разница явно указывает на то, что тепло перераспределяется по всей планете.

Чтобы объяснить более низкую температуру, учёные рассмотрели несколько возможностей. Расплавленный поверхностный океан мог бы переносить часть тепла, но без атмосферы ночная сторона, вероятно, оставалась бы твёрдой, ограничивая теплопередачу. Мог бы существовать и тонкий слой испарившейся породы, хотя сам по себе он не обеспечил бы достаточного охлаждения.

Хотя доказательства явно указывают на наличие атмосферы, это поднимает важный вопрос. Как планета, подверженная столь интенсивному излучению, вообще может удерживать газ? Часть вещества, вероятно, улетучивается в космос, но, возможно, не так быстро, как ожидалось. Одно из объяснений заключается в балансе между расплавленным внутренним слоем планеты и её атмосферой.

«Мы полагаем, что между магматическим океаном и атмосферой существует равновесие. В то время как газы выходят из планеты, пополняя атмосферу, магматический океан втягивает их обратно в недра», — сказал соавтор исследования Тим Лихтенберг из Университета Гронингена в Нидерландах, который также входит в состав проектной группы «Эмпирические, теоретические и экспериментальные исследования атмосферы» (AEThER) под руководством Института Карнеги. — «Эта планета, судя по всему, должна быть гораздо, гораздо богаче летучими веществами, чем Земля, чтобы объяснить полученные наблюдения. Она сильно похожа на мокрый шарик из лавы».