В атмосфере экзопланеты впервые обнаружили и измерили следы изотопов

В атмосфере планеты, отстоящей от Земли больше, чем на 300 световых лет, впервые обнаружены изотопы.

В дымке вокруг газообразной экзопланеты под названием TYC 8998-760-1b астрономы обнаружили форму углерода, известную как углерод-13. Это открытие предполагает, что экзопланета образовалась далеко от своей родительской звезды, в холодных областях ее системы за пределами определенной «линии снега».

«Мы впервые получили возможность измерить содержание изотопов в атмосфере экзопланеты на таком большом расстоянии», — заявил астроном Япенг Чжан из Лейденского университета в Нидерландах.

TYC 8998-760-1b, обнаруженный в 2019 году, еще на этапе открытия привлек внимание ученых. Объект принадлежит к чрезвычайно редкой группе экзопланет — тех, которые астрономам удалось сфотографировать напрямую.

Дело в том, что звезды невероятно яркие, а планеты по сравнению с ними чрезвычайно тусклые. Поэтому обычно исследователи идентифицируют их, обнаруживая влияние, которое планеты оказывают на свою звезду — либо гравитационное, либо мимолетное затемнение света звезды, когда они пролетают между светилом и чувствительной антенной телескопа.

Такие методики лучше всего работают в случае поиска планет, которые находятся близко к своим звездам, однако TYC 8998-760-1b вращается вокруг своей звезды на довольно большом расстоянии — около 160 астрономических единиц. Плутон, для сравнения, вращается вокруг Солнца на дистанции «всего» 40 астрономических единиц.

Планета довольно плотная для объектов своего типа – она в 14 раз больше Юпитера по массе и в два раза шире его по радиусу, а потому хорошо отражает свет звезды. Группа исследователей во главе с Чжаном решила проверить, можно ли извлечь из отраженного света полезные данные.

В частности, они использовали инструмент под названием «спектрограф для наблюдений интегрального поля в ближней инфракрасной области (SINFONI)» на Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории в Чили.

Темные линии в световом спектре планет возникают, когда определенные длины волн света поглощаются определенными элементами. Исследователи обнаружили, что длины волн, поглощаемые TYC 8998-760-1b, соответствуют углероду-13, который скорее всего находится в связке с газообразным оксидом углерода.

Изотопы довольно интересны. Все они представляют собой формы одного и того же элемента, обладающие одинаковым количеством протонов и электронов, но разным количеством нейтронов. Углерод-12, наиболее распространенный стабильный изотоп углерода, имеет шесть таких изотопов. У углерода-13 шесть протонов и шесть электронов, но семь нейтронов. Это важно, потому что пути образования таких атомов различны, и они ведут себя по-разному в зависимости от условий окружающей среды.

Количество углерода-13, которое ученые обнаружили в атмосфере экзопланеты, вдвое превышало ожидаемое. Команда считает, что это обстоятельство может кое-что рассказать нам об условиях, при которых сформировался TYC 8998-760-1b.

«Планета более чем в 150 раз дальше от своей родительской звезды, чем наша Земля от нашего Солнца», — пояснил астрофизик Поль Мольер из Института астрономии Макса Планка в Германии. «На таком большом расстоянии лед, возможно, образовался с большим количеством углерода-13, что привело к более высокой доле этого изотопа в атмосфере планеты в наши дни».

Линия снега монооксида углерода — расстояние от звезды, за которым оксид углерода конденсируется и замерзает из газа в лед (у разных газов «линии снега разные). Любые экзопланеты, образующиеся так далеко от тепла звезды, будут содержать отложения льдов окиси углерода. Поскольку известные планеты Солнечной системы находятся к Солнцу ближе, чем линия снега, на них такое большое количество замороженной окиси углерода попросту не образуется.

Однако в Солнечной системе есть аналогичное явление: Нептун и Уран богаче дейтерием, изотопом водорода с одним протоном и одним нейтроном (у нормального водорода есть только протон), чем Юпитер. Это связано с образованием планеты за линией снега для воды.

По словам исследователей, обнаружение изотопов в атмосфере для многих экзопланет пока не представляется возможным, но по мере того, как наши телескопы продолжают совершенствоваться, у человечества будет появляться все больше данных об окружающем космическом пространстве. Зная условия, в которых сформировалась планета, можно предсказать многие ее особенности и более точно охарактеризовать ее в целом.