Уэбб приоткрывает завесу тайны над распространенным, но загадочным типом экзопланет

Спектр пропускания, полученный космическим телескопом NASA James Webb, показывает наличие воды (H₂O) и возможное наличие диоксида серы (SO₂) и оксида углерода (CO), но никаких признаков диоксида углерода (CO₂) или метана (CH₄) в атмосфере горячей экзопланеты субнептуна TOI-421 b. Наблюдения подтверждают гипотезу о том, что планеты такой высокой температуры (TOI-421 b имеет температуру около 1340 °F) имеют чистые атмосферы, которые не затенены облаками и дымкой. Автор: Illustration by NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

«Я ждала Уэбба всю свою карьеру, чтобы мы могли осмысленно охарактеризовать атмосферы этих меньших планет», — сказала главный исследователь Элиза Кемптон из Мэрилендского университета в Колледж-Парке. «Изучая их атмосферы, мы получаем лучшее понимание того, как формировались и развивались субнептуны, и отчасти это понимание того, почему они не существуют в нашей солнечной системе».

Результаты опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Маленький, прохладный, окутанный дымкой

Существование субнептунов было неожиданным до того, как их обнаружил отставной космический телескоп НАСА «Кеплер» в прошлом десятилетии. Теперь астрономы пытаются понять, откуда взялись эти планеты и почему они так распространены.

До Уэбба у ученых было очень мало информации о них. Хотя субнептуны в несколько раз больше Земли, они все равно намного меньше газовых гигантов и, как правило, холоднее горячих юпитеров, что делает их гораздо более сложными для наблюдения, чем их газовые гиганты.

Ключевым открытием до Уэбба было то, что большинство субнептуновых атмосфер имели плоские или невыразительные спектры пропускания. Это означает, что когда ученые наблюдали спектр планеты, проходившей перед своей звездой, вместо того, чтобы видеть спектральные особенности — химические отпечатки пальцев, которые бы выявили состав атмосферы, — они видели только спектр с плоскими линиями. Астрономы пришли к выводу из всех этих спектров с плоскими линиями, что по крайней мере некоторые субнептуны, вероятно, были очень сильно скрыты либо облаками, либо дымкой.

Другой вид суб-Нептуна?

«Почему мы наблюдали эту планету, TOI-421 b? Потому что мы думали, что, возможно, у нее не будет дымки», — сказал Кемптон. «И причина в том, что были некоторые предыдущие данные, которые подразумевали, что, возможно, планеты в определенном диапазоне температур были менее окутаны дымкой или облаками, чем другие».

Этот температурный порог составляет около 1070 градусов по Фаренгейту. Ниже этого значения ученые выдвинули гипотезу, что между солнечным светом и метановым газом будет происходить сложный набор фотохимических реакций, что и вызовет дымку. Но на более горячих планетах не должно быть метана, и поэтому, возможно, не должно быть дымки.

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

Эта концепция художника показывает, как могла бы выглядеть горячая экзопланета TOI-421 b, расположенная за пределами орбиты Нептуна. TOI-421 b вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии примерно 244 световых лет от Земли в созвездии Зайца (Lepus). Планета находится между Землей и Нептуном по размеру, массе и плотности, а ее звезда немного меньше и холоднее Солнца. Однако, поскольку планета вращается очень близко к звезде (всего 0,056 астрономических единиц, или 5,6% расстояния между Землей и Солнцем), она очень горячая. Спектроскопические наблюдения TOI-421 b, полученные с помощью NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) и NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) на космическом телескопе Джеймса Уэбба NASA, демонстрируют убедительные доказательства наличия воды (H₂O) и возможного присутствия диоксида серы (SO₂) и оксида углерода (CO) в богатой водородом атмосфере планеты. В отличие от более холодных субнептунов, TOI-421 b, по-видимому, имеет чистую атмосферу, не окутанную облаками и дымкой. Эта концепция художника основана на спектроскопических данных, собранных Уэббом, а также на предыдущих наблюдениях с других телескопов на Земле и в космосе. Уэбб не сделал ни одного снимка планеты. Автор: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Удивительное открытие

«Мы увидели спектральные особенности, которые мы приписываем различным газам, и это позволило нам определить состав атмосферы», — сказал Брайан Дэвенпорт из Мэрилендского университета, аспирант третьего курса, который провел первичный анализ данных.

«В то время как в случае со многими другими субнептунами, которые наблюдались ранее, мы знаем, что их атмосферы из чего-то состоят, но они заблокированы дымкой».

Команда обнаружила водяной пар в атмосфере планеты, а также предварительные сигнатуры оксида углерода и диоксида серы. Затем есть молекулы, которые они не обнаружили, такие как метан и диоксид углерода. Из этих данных они также могут сделать вывод, что в атмосфере TOI-421 b находится большое количество водорода.

Легкая водородная атмосфера стала большим сюрпризом для исследователей. «Недавно мы пришли к мысли, что те первые несколько субнептунов, которые наблюдал Уэбб, имели атмосферы из тяжелых молекул, так что это стало нашим ожиданием, а затем мы обнаружили обратное», — сказал Кемптон. Это говорит о том, что TOI-421 b мог сформироваться и эволюционировать иначе, чем более холодные субнептуны, которые наблюдались ранее.

Уникален ли TOI-421 b?

Атмосфера с преобладанием водорода также интересна, поскольку она имитирует состав звезды-хозяина TOI-421 b. «Если бы вы просто взяли тот же газ, который создал звезду-хозяина, поместили его поверх атмосферы планеты и поместили бы его в гораздо более холодную температуру этой планеты, вы бы получили ту же комбинацию газов. Этот процесс больше соответствует гигантским планетам в нашей солнечной системе, и он отличается от других субнептунов, которые наблюдались с Уэббом до сих пор», - сказал Кемптон.

Является ли TOI-421b символом горячих субнептунов, вращающихся вокруг солнцеподобных звезд, или дело просто в том, что экзопланеты очень разнообразны? Чтобы выяснить это, исследователи хотели бы наблюдать больше горячих субнептунов, чтобы определить, является ли это уникальным случаем или более широкой тенденцией. Они надеются получить представление о формировании и эволюции этих распространенных экзопланет.

«Мы открыли новый способ изучения этих субнептунов», — сказал Дэвенпорт. «Эти высокотемпературные планеты поддаются описанию. Поэтому, изучая субнептуны с такой температурой, мы, возможно, с большей вероятностью ускорим нашу способность изучать эти планеты».

Больше информации: Brian Davenport et al, TOI-421 b: A Hot Sub-Neptune with a Haze-free, Low Mean Molecular Weight Atmosphere, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adcd76

Источник: Space Telescope Science Institute