Считали невозможным, но ошиблись: горячая каменистая планета сохранила плотную атмосферу

Астрономы, работающие с космическим телескопом "Джеймс Уэбб" (JWST), зафиксировали неожиданное явление: плотную атмосферу у горячей каменистой планеты за пределами Солнечной системы. Объект под названием TOI-561 b обращается вокруг своей звезды всего за 10,5 часа, находясь в состоянии приливного захвата — с вечным днём на одной стороне и постоянной ночью на другой. Считалось, что в таких условиях любая атмосфера должна быть давно утеряна. Однако наблюдения показали обратное. Об этом сообщает научное издание со ссылкой на данные JWST.

Почему TOI-561 b нарушает ожидания

TOI-561 b относится к классу ультракороткопериодных суперземель. При высокой температуре и близости к звезде такие планеты, согласно моделям, не способны удерживать газы.

"Исходя из того, что мы знаем о других системах, можно было бы ожидать, что такая планета слишком мала и слишком горячая, чтобы сохранить атмосферу", — отмечает соавтор исследования Николь Уоллак из Университета Карнеги — Меллона.
"Но наши наблюдения показывают, что она окружена сравнительно толстым газовым слоем".

Дополнительную загадку создаёт плотность планеты. Она ниже, чем ожидалось бы при земном соотношении камня и железа, что указывает либо на необычное внутреннее строение, либо на вклад атмосферы в измеряемый радиус.

Планета из другой химической эпохи

TOI-561 b обращается вокруг старой, бедной металлами звезды, расположенной в толстом диске Млечного Пути. Эта звезда примерно вдвое старше Солнца, а значит, планета формировалась в иной химической среде.

"Она, вероятно, сформировалась в совершенно других условиях, чем планеты нашей Солнечной системы", — объясняет ведущий автор исследования Йоханна Теске.

Это делает TOI-561 b потенциальным представителем древнего класса каменистых миров, чьё строение и эволюция могут сильно отличаться от привычных моделей, применяемых к экзопланетам, подобным Земле или Марсу.

Как Уэбб измерил тепло планеты

Чтобы понять, есть ли у планеты атмосфера, команда использовала спектрограф NIRSpec на борту JWST. Во время вторичного затмения, когда TOI-561 b проходила за своей звездой, телескоп зафиксировал падение инфракрасного излучения — тепловое свечение дневной стороны планеты.

Если бы поверхность была полностью обнажённой, температура должна была бы достигать около 2700 °C. Однако измерения показали примерно 1800 °C — всё ещё экстремально, но заметно ниже ожидаемого значения. Это расхождение трудно объяснить без участия атмосферы, аналогично тому, как тепловые наблюдения помогали выявлять атмосферные эффекты и у других экстремальных миров, включая лавовые экзопланеты с магматическими океанами.

Признаки плотной атмосферы

Магматический океан на поверхности мог бы частично перераспределять тепло, но, по расчётам, этого недостаточно. Тонкая разреженная оболочка также не объясняет наблюдаемую разницу температур.

"Чтобы согласовать все данные, нам действительно нужна плотная, богатая летучими веществами атмосфера", — подчёркивает соавтор работы Анджали Пьетт.

Быстрые ветры могли бы переносить тепло на ночную сторону, а такие газы, как водяной пар, поглощать инфракрасное излучение. Дополнительный вклад могут вносить яркие силикатные облака, отражающие часть света звезды.

Когда магма и атмосфера поддерживают друг друга

Главный вопрос — как такая атмосфера смогла сохраниться миллиарды лет при мощном излучении звезды. Исследователи предлагают модель динамического равновесия между атмосферой и глобальным океаном магмы.

"Газы выходят из расплавленной поверхности, подпитывая атмосферу, но затем могут снова растворяться в магме", — объясняет Тим Лихтенберг из Университета Гронингена.

В таком сценарии атмосфера постоянно обновляется, несмотря на потери. Это требует, чтобы планета была гораздо богаче летучими веществами, чем Земля, что и породило образ "влажного лавового шара".

Наблюдения в течение нескольких орбит

Результаты получены в рамках программы JWST General Observers Program 3860. Телескоп наблюдал систему более 37 часов — почти четыре орбиты планеты. Команда объединила данные NIRSpec с наблюдениями в инфракрасном, оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах, что позволило создать комплексную картину.

"Самое захватывающее в этом наборе данных то, что он порождает больше вопросов, чем ответов", — отмечает Теске.

В дальнейшем учёные планируют построить фазовую кривую планеты, чтобы проследить распределение температуры и уточнить состав атмосферы — от водяного пара до силикатных аэрозолей. Подобные подходы уже активно применяются при изучении атмосфер горячих суперземель.

Что это меняет для науки

Обнаружение атмосферы у столь горячей и быстрой каменистой планеты расширяет границы того, где астрономы могут надеяться найти и изучить газовые оболочки. Это касается не только умеренных миров, но и экстремальных лавовых планет, которые раньше считались полностью обнажёнными.

Как подчёркивает Уоллак, результат "переворачивает устоявшиеся представления" о судьбе малых планет вблизи звёзд. Он также намекает, что атмосферы могут быть куда более устойчивыми и разнообразными, чем предполагалось, открывая новые направления для поиска и сравнения экзопланет.