Космический телескоп «Джеймс Уэбб» НАСА приоткрывает завесу тайны над распространённым, но загадочным типом экзопланет

Хотя субнептуны не вращаются вокруг нашего Солнца, они являются наиболее распространённым типом экзопланет, или планет за пределами нашей Солнечной системы, которые были обнаружены в нашей галактике. Эти маленькие газовые планеты окутаны тайной… и часто дымом. Теперь, наблюдая за экзопланетой TOI-421 b, космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб» помогает учёным понять субнептуны так, как это было невозможно до запуска телескопа.

«Я ждала Уэбба всю свою карьеру, чтобы мы могли получить достоверные данные об атмосферах этих малых планет, — сказала главный исследователь Элиза Кемптон из Мэрилендского университета в Колледж-Парке. — Изучая их атмосферы, мы лучше понимаем, как формировались и развивались субнептуны, и отчасти это помогает понять, почему их нет в нашей Солнечной системе».

Существование субнептуновых планет было неожиданным до того, как они были открыты космическим телескопом «Кеплер» НАСА в прошлом десятилетии. Теперь астрономы пытаются понять, откуда взялись эти планеты и почему они так распространены.

До Уэбба у учёных было очень мало информации о них. Хотя субнептуны в несколько раз больше Земли, они всё равно намного меньше планет-гигантов и, как правило, холоднее, чем горячие юпитеры, что делает их гораздо более сложными для наблюдения, чем их собратьев-гигантов.

Ключевым открытием, сделанным до Уэбба, было то, что большинство атмосфер субнептуновых планет имели плоские или бесформенные спектры пропускания. Это означает, что когда учёные наблюдали спектр планеты, когда она проходила перед своей звездой, вместо спектральных особенностей — химических «отпечатков пальцев», которые раскрыли бы состав атмосферы, — они видели только плоский спектр. Из всех этих плоских спектров астрономы сделали вывод, что по крайней мере некоторые субнептуновые планеты, вероятно, были сильно затемнены облаками или дымкой.

Другой вид Субнептуна?

«Почему мы наблюдали за этой планетой, TOI-421 b? Потому что мы думали, что, возможно, на ней не будет дымки, — сказал Кемптон. — И причина в том, что были некоторые предыдущие данные, которые указывали на то, что, возможно, планеты в определённом температурном диапазоне меньше окутаны дымкой или облаками, чем другие».

Этот температурный порог составляет около 1070 градусов по Фаренгейту. При более низких температурах, по предположению учёных, между солнечным светом и метаном происходит сложный набор фотохимических реакций, которые вызывают задымление. Но на более горячих планетах не должно быть метана, а значит, и задымления.

Температура TOI-421 b составляет около 1340 градусов по Фаренгейту, что значительно выше предполагаемого порога. Исследователи ожидали увидеть чистую атмосферу без дымки или облаков — и они её увидели!

Удивительное открытие

«Мы увидели спектральные особенности, которые мы связываем с различными газами, и это позволило нам определить состав атмосферы, — сказал Брайан Дэвенпорт из Мэрилендского университета, аспирант третьего года обучения, который проводил первичный анализ данных. — В то время как в случае со многими другими субнептунами, которые наблюдались ранее, мы знаем, что их атмосфера состоит из чего-то, но она скрыта дымкой».

Команда исследователей обнаружила в атмосфере планеты водяной пар, а также предположительные следы угарного газа и диоксида серы. Кроме того, они не обнаружили такие молекулы, как метан и углекислый газ. На основе полученных данных они также могут сделать вывод, что в атмосфере TOI-421 b содержится большое количество водорода.

Лёгкая водородная атмосфера стала большим сюрпризом для исследователей. «Недавно мы пришли к выводу, что первые несколько субнептунов, обнаруженных Уэббом, имели атмосферу из тяжёлых молекул, поэтому мы ожидали увидеть именно это, но обнаружили обратное», — сказал Кемптон. Это позволяет предположить, что TOI-421 b, возможно, сформировался и развивался иначе, чем более холодные субнептуны, обнаруженные ранее.

Уникален ли TOI-421 b?

Атмосфера, в которой преобладает водород, также интересна тем, что она имитирует состав звезды-хозяина TOI-421 b. «Если бы вы взяли тот же газ, из которого состоит звезда-хозяин, поместили его в атмосферу планеты и нагрели до гораздо более низкой температуры, чем на этой планете, вы бы получили такое же сочетание газов. Этот процесс больше похож на то, что происходит с гигантскими планетами в нашей Солнечной системе, и он отличается от других субнептунов, которые до сих пор наблюдались с помощью «Уэбба», — сказал Кемптон.

Помимо того, что TOI-421 b горячее, чем другие субнептуны, ранее наблюдавшиеся с помощью «Уэбба», он вращается вокруг звезды, похожей на Солнце. Большинство других субнептунов, которые были обнаружены на данный момент, вращаются вокруг более мелких и холодных звёзд, называемых красными карликами.

Является ли TOI-421b типичным представителем горячих субнептунов, вращающихся вокруг звёзд, похожих на Солнце, или экзопланеты просто очень разнообразны? Чтобы это выяснить, исследователи хотели бы понаблюдать за другими горячими субнептунами, чтобы определить, является ли это уникальным случаем или более широкой тенденцией. Они надеются получить представление о формировании и эволюции этих распространённых экзопланет.

«Мы открыли новый способ изучения этих субнептунов, — сказал Дэвенпорт. — Эти высокотемпературные планеты поддаются классификации. Поэтому, изучая субнептуны с такой температурой, мы, возможно, сможем быстрее узнать об этих планетах».

Источник: NASA, ESA, CSA

На изображении:

Художественная концепция показывает, как могла бы выглядеть горячая экзопланета TOI-421 b, находящаяся в субнептуновой зоне. Она основана на спектроскопических данных, собранных Уэббом, а также на предыдущих наблюдениях с помощью других наземных и космических телескопов.

Также на графике показан спектр пропускания, полученный космическим телескопом НАСА «Джеймс Уэбб», показывает наличие химических веществ в атмосфере горячей экзопланеты TOI-421 b, расположенной ниже Нептуна.