19.12.2024. - Есть ли у экзопланеты TRAPPIST-1b атмосфера

Есть ли у экзопланеты TRAPPIST-1b атмосфера

TRAPPIST-1b - одна из семи скалистых планет, вращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1, расположенной на расстоянии 40 световых лет от нас. Эта планетная система уникальна тем, что позволяет астрономам изучать семь планет земного типа с относительно близкого расстояния, причем три из них находятся в так называемой обитаемой зоне. Это область в планетной системе, где на поверхности планеты может быть жидкая вода. На сегодняшний день 10 исследовательских программ нацелены на эту систему с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) в течение 290 часов.

Текущее исследование, в котором принимают активное участие исследователи из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, проводилось под руководством Эльзы Дюкро из Комиссариата атомной энергии (CEA) в Париже, Франция.

В этом исследовании используются измерения теплового инфракрасного излучения — по сути, теплового излучения — планеты TRAPPIST-1 b с помощью MIRI (Mid-Infrared Imager) на JWST, и оно было опубликовано в журнале Nature Astronomy. В нем представлены результаты прошлого года, на которых основывались предыдущие выводы, описывающие TRAPPIST-1 b как темную каменистую планету без атмосферы.

Кора TRAPPIST-1 b может быть геологически активной

"Однако идея о каменистой планете с сильно выветренной поверхностью без атмосферы противоречит текущим измерениям", - говорит астроном MPIA Йерун Боуман, который совместно отвечал за программу наблюдений.

"Поэтому мы считаем, что планета покрыта относительно неизмененным материалом". Обычно поверхность подвергается выветриванию в результате излучения центральной звезды и ударов метеоритов. Однако результаты показывают, что возраст породы на поверхности составляет не более 1000 лет, что значительно меньше, чем возраст самой планеты, возраст которой, по оценкам, составляет несколько миллиардов лет.

Это может свидетельствовать о том, что кора планеты подвержена резким изменениям, которые могут быть объяснены экстремальным вулканизмом или тектоникой плит. Даже если такой сценарий в настоящее время все еще остается гипотетическим, он, тем не менее, правдоподобен. Планета достаточно велика, чтобы в ее недрах могло сохраниться остаточное тепло от ее образования — как и в случае с Землей.

Приливное воздействие центральной звезды и других планет также может деформировать TRAPPIST-1b, так что в результате внутреннего трения образуется тепло, подобное тому, что мы наблюдаем на спутнике Юпитера Ио. Кроме того, возможен индуктивный нагрев за счет магнитного поля ближайшей звезды.

Может ли у TRAPPIST-1 b все-таки быть атмосфера?

"Полученные данные также позволяют предложить совершенно другое решение", - говорит Томас Хеннинг, почетный директор MPIA. Он был одним из главных разработчиков прибора MIRI.

"Вопреки предыдущим представлениям, существуют условия, при которых на планете может быть плотная атмосфера, богатая углекислым газом (CO2)", - добавляет он. Ключевую роль в этом сценарии играет дымка из углеводородных соединений, то есть смог, в верхних слоях атмосферы.

Две программы наблюдений, которые дополняют друг друга в текущем исследовании, были разработаны для измерения яркости TRAPPIST-1 b на разных длинах волн в тепловом инфракрасном диапазоне (12,8 и 15 микрометров). Первое наблюдение было сделано с учетом поглощения инфракрасного излучения планеты слоем CO2.

Однако затемнение не было зафиксировано, что привело исследователей к выводу о том, что на планете нет атмосферы.

Исследовательская группа выполнила модельные расчеты, которые показывают, что дымка может изменить температурную стратификацию атмосферы, богатой CO2. Как правило, нижние слои атмосферы, расположенные на уровне земли, теплее верхних из-за более высокого давления. Поскольку дымка поглощает свет звезд и нагревается, она, наоборот, нагревает верхние слои атмосферы, создавая парниковый эффект.

В результате находящийся там углекислый газ сам испускает инфракрасное излучение.

Мы видим, что нечто подобное происходит на спутнике Сатурна Титане. Слой дымки, скорее всего, образуется там под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца из-за богатых углеродом газов в атмосфере. Аналогичный процесс может происходить на TRAPPIST-1 b из-за того, что ее звезда испускает значительное ультрафиолетовое излучение.

Даже если данные соответствуют этому сценарию, астрономы по-прежнему считают это менее вероятным. С одной стороны, получить углеводородные соединения, которые образуют дымку в атмосфере, богатой CO2, сложнее, хотя и не невозможно.

Атмосфера Титана, однако, состоит в основном из метана. С другой стороны, проблема остается в том, что активные красные карлики, к которым относится TRAPPIST-1, производят излучение и ветры, которые могут легко разрушать атмосферы близлежащих планет в течение миллиардов лет.

TRAPPIST-1 b является ярким примером того, насколько сложно в настоящее время обнаружить и определить состав атмосферы каменистых планет — даже для JWST. Они разрежены по сравнению с газовыми планетами и дают лишь слабые измеримые признаки. Два наблюдения для изучения TRAPPIST-1b, в ходе которых были получены значения яркости на двух длинах волн, продолжались почти 48 часов, чего было недостаточно, чтобы однозначно определить, есть ли у планеты атмосфера.

Затмения и затенения в качестве инструмента

При наблюдениях использовался небольшой наклон плоскости планеты к линии обзора TRAPPIST-1. Из-за такой ориентации семь планет проходят перед звездой и слегка затемняют ее на каждом витке. Следовательно, это позволяет узнать о природе планет и их атмосферах несколькими способами.

Так называемая транзитная спектроскопия зарекомендовала себя как надежный метод. Она заключается в измерении затемнения звезды ее планетой в зависимости от длины волны. В дополнение к закрытию непрозрачным планетарным телом, по которому астрономы определяют размер планеты, атмосферные газы поглощают звездный свет на определенных длинах волн.

Исходя из этого, они могут определить, есть ли у планеты атмосфера и из чего она состоит. К сожалению, этот метод имеет недостатки, особенно для таких планетных систем, как TRAPPIST-1. Холодные красные карлики часто имеют большие звездные пятна и сильные извержения, что существенно влияет на результаты измерений.

Астрономы в значительной степени обходят эту проблему, вместо этого наблюдая за стороной экзопланеты, нагреваемой звездой, в тепловом инфракрасном свете, как в текущем исследовании с TRAPPIST-1 b. Яркую дневную сторону особенно легко увидеть непосредственно перед и после того, как планета скроется за звездой.

Инфракрасное излучение, испускаемое планетой, содержит информацию о ее поверхности и атмосфере. Однако такие наблюдения требуют больше времени, чем транзитная спектроскопия.

Учитывая потенциал этих так называемых измерений вторичных затмений, НАСА недавно одобрило обширную программу наблюдений для изучения атмосфер скалистых планет, вращающихся вокруг близлежащих звезд с малой массой. Эта необычная программа "Скалистые миры" включает в себя 500 часов наблюдений с помощью JWST.

Уверенность в TRAPPIST-1 b

Исследовательская группа надеется, что сможет получить окончательное подтверждение, используя другой вариант наблюдения. Программа фиксирует полный оборот планеты вокруг звезды, включая все фазы освещения от темной ночной стороны при прохождении перед звездой до светлой дневной стороны незадолго до и после того, как планета будет закрыта звездой.

Этот подход позволит команде создать так называемую фазовую кривую, показывающую изменение яркости планеты вдоль ее орбиты. В результате астрономы смогут определить распределение температуры на поверхности планеты.

Команда исследователей уже провела это измерение с помощью TRAPPIST-1 b . Проанализировав распределение тепла на планете, они могут сделать вывод о наличии атмосферы. Это связано с тем, что атмосфера помогает переносить тепло с дневной стороны на ночную. Если температура резко меняется при переходе между двумя сторонами, это указывает на отсутствие атмосферы.

Источник