Доказательство наличия атмосферы у скалистых экзопланет
Исследователи, использующие космический телескоп Джеймса Вебба NASA/ESA/CSA, возможно, обнаружили атмосферу, окружающую 55 Рака, скалистую экзопланету, расположенную на расстоянии 41 светового года от Земли. На сегодняшний день это лучшее доказательство существования атмосферы скалистой планеты за пределами нашей Солнечной системы. Брайс-Оливье Демори, профессор астрофизики Бернского университета и сотрудник Национального центра научных исследований планет (NCCR), был частью международной исследовательской группы, которая только что опубликовала результаты в журнале Nature. 55 Cancri e - одна из пяти известных планет, вращающихся вокруг солнцеподобной звезды в созвездии Рака. Имея диаметр почти в два раза больше Земного и немного большую плотность, эта планета классифицируется как Суперземля: она больше Земли, меньше Нептуна и по составу похожа на каменистые планеты нашей Солнечной системы.
Брайс-Оливье Демори (Brice-Olivier Demory) из Центра изучения космоса и обитаемости CSH Бернского университета и член NCCR PlanetS является соавтором исследования. Он говорит: "55 e Рака - одна из самых загадочных экзопланет. Несмотря на огромное количество наблюдений, проведенных с помощью десятка наземных и космических установок за последнее десятилетие, сама природа этого явления оставалась неуловимой до сегодняшнего дня, когда части головоломки, наконец, удалось собрать воедино благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST)". Неожиданно эти наблюдения показали, что горячая и сильно облученная скалистая планета может поддерживать газообразную атмосферу, и это является хорошим предзнаменованием для способности JWST охарактеризовать более холодные — потенциально пригодные для жизни — скалистые планеты, вращающиеся вокруг солнцеподобных звезд. Реньюй Ху (Renyu Hu) из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) возглавил команду. "JWST действительно расширяет границы изучения экзопланет, в том числе скалистых", - сказал Ху. "Это действительно открывает возможности для науки нового типа".
Демори был приглашен в исследовательскую программу Ху, который был одним из его коллег, когда он работал в Массачусетском технологическом институте (MIT). Демори изучал 55 видов рака с самого начала своей карьеры. "Будучи постдоком в Массачусетском технологическом институте, я руководил открытием первого прохождения 55 e Рака, и в 2016 году моя команда опубликовала первую карту скалистой экзопланеты, которая была обозначена как 55 e Рака". Результаты 2016 года уже намекали на возможное наличие атмосферы вокруг 55 e Рака. Для текущего исследования Демори провел независимый анализ набора данных JWST. Он объясняет: "За последние два года космический телескоп CHEOPS, который был разработан и построен в Бернском университете, сыграл ключевую роль в решении нескольких вопросов, возникших у астрофизиков по поводу 55-й звезды Рака. JWST дополнил эту картину в инфракрасном диапазоне, показав, что суперземля 55-й звезды Рака, возможно, находится на расстоянии окруженный атмосферой, состав которой соответствует содержанию монооксида углерода или двуокиси углерода двуокисью углерода".
Хотя 55 e Рака похожа по составу на скалистые планеты нашей Солнечной системы, описание ее как "скалистой" может создать неверное впечатление. Планета вращается так близко к своей звезде (полный оборот вокруг нее длится 18 часов, по сравнению с 365 земными днями), что ее поверхность, должно быть, расплавлена — глубокий, бурлящий океан магмы. Из-за такой узкой орбиты планета, вероятно, также находится в зоне приливов, дневная сторона которой постоянно обращена к звезде, а ночная сторона находится в постоянной темноте. "Планета настолько горячая, что часть расплавленной породы должна испариться", - объяснил Ху. Хотя JWST не может получить прямое изображение 55 Рака e, он может измерить незначительные изменения в освещенности системы по мере того, как планета обращается вокруг звезды. Команда использовала NIRCam (камеру ближнего инфракрасного диапазона) и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) от JWST для измерения инфракрасного излучения, исходящего от планеты.
Вычтя яркость во время вторичного затмения, когда планета находится за звездой (только звездный свет), из яркости, когда планета находится прямо рядом со звездой (свет от звезды и планеты вместе взятых), команда смогла рассчитать количество инфракрасного света, поступающего с дневной стороны планеты на нескольких длинах волн одновременно. Первое указание на то, что у 55 Рака может быть плотная атмосфера, было получено в результате измерений температуры, основанных на его тепловом излучении, или тепловой энергии, выделяемой в виде инфракрасного света. Если планета покрыта темной расплавленной породой с тонкой завесой испаренной породы или вообще без атмосферы, дневная сторона должна быть около 2200 градусов по Цельсию. "Вместо этого данные MIRI показали относительно низкую температуру - около 1500 градусов по Цельсию", - сказал Ху. "Это очень явный признак того, что энергия распространяется с дневной стороны на темную, скорее всего, благодаря богатой летучими веществами атмосфере".
Хотя потоки лавы могут переносить некоторое количество тепла на ночную сторону, они не могут перемещать его достаточно эффективно, чтобы объяснить эффект охлаждения. На самом деле, дневная сторона выглядит на несколько сотен градусов холоднее, чем следовало бы, даже если тепло равномерно распределяется по планете. Это имеет смысл, если часть инфракрасного света, излучаемого поверхностью, поглощается атмосферой и никогда не достигает телескопа. Команда считает, что газы, покрывающие 55-ю звезду Рака, выходят наружу изнутри. Первичная атмосфера давно исчезла из-за высокой температуры и интенсивного излучения звезды. Это вторичная атмосфера, которая постоянно пополняется за счет океана магмы. Магма - это не просто кристаллы и жидкая порода, в ней также много растворенного газа. Несмотря на то, что 55 e Рака слишком жаркая для того, чтобы быть пригодной для жизни, она может предоставить уникальную возможность для изучения взаимодействия между атмосферами, поверхностями и внутренностями скалистых планет и, возможно, даст представление о ранней истории Земли, Венеры и Марса, которые, как считается, в далеком прошлом были покрыты океанами магмы. "В конечном счете, мы хотим понять, какие условия позволяют каменистой планете поддерживать богатую газом атмосферу - ключевой компонент для создания пригодной для жизни планеты", - сказал Ху.
