Аппарат «Джеймс Уэбб» (возможно) обнаружил атмосферу вокруг каменистой экзопланеты

Пять планет вращаются на расстоянии 41 светового года от Земли вокруг звезды 55 Cancri, похожей на Солнце, в созвездии Рака. Одна из них, 55 Cancri e, представляет собой каменистую экзопланету с диаметром почти в два раза больше Земли и немного большей плотностью, поэтому ее классифицируют как суперземлю. Ее поверхность, вероятно, расплавлена. Теперь наблюдения NIRCam и […]

Пять планет вращаются на расстоянии 41 светового года от Земли вокруг звезды 55 Cancri, похожей на Солнце, в созвездии Рака. Одна из них, 55 Cancri e, представляет собой каменистую экзопланету с диаметром почти в два раза больше Земли и немного большей плотностью, поэтому ее классифицируют как суперземлю. Ее поверхность, вероятно, расплавлена.

Теперь наблюдения NIRCam и MIRI космического телескопа Джеймса Уэбба в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне позволяют предположить, что планета может быть окружена атмосферой, богатой углекислым газом (CO2) или окисью углерода (CO). Исследователи полагают, что газы, составляющие атмосферу, могли вырваться из океана магмы, который, как считается, покрывает поверхность планеты.

Это лучшее на сегодняшний день доказательство существования атмосферы вокруг каменистой планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Атмосфера на 55 Cancri e?

55 Cancri e вращается так близко к своей звезде (около 1,4 миллиона миль, или одна двадцать пятая расстояния между Меркурием и Солнцем), что ее поверхность, скорее всего, расплавлена, представляет собой кипящий океан магмы. С такой узкой орбитой также очень вероятно, что планета заблокирована приливной силой: дневная сторона всегда обращена к звезде, а ночная находится в постоянной темноте.

Несмотря на многочисленные наблюдения с момента обнаружения транзита в 2011 году, вопрос о том, есть ли у 55 Cancri e атмосфера, и в частности, может ли она у нее быть, учитывая высокую температуру и постоянную бомбардировку радиацией и ветрами от звезды, так и остался без ответа.

В отличие от атмосфер газовых планет-гигантов, которые относительно легко обнаружить, более тонкие и плотные атмосферы, окружающие каменистые планеты, неуловимы. Предыдущие исследования 55 Cancri с помощью космического телескопа НАСА Spitzer позволили предположить наличие существенной атмосферы, богатой летучими веществами, такими как кислород, азот и углекислый газ. Но исследователи не исключают и другой возможности: планета не имеет атмосферы, за исключением слабой вуали из испарившейся породы, богатой такими элементами, как кремний, железо, алюминий и кальций.

Уэбб говорит «да»

Используя камеры NIRCam и MIRI, ученые измерили инфракрасное излучение от 4 до 12 микрон от планеты. Хотя «Уэбб» не может получить прямое изображение 55 Cancri, он может измерить тонкие изменения в свете, исходящем от системы, когда планета вращается вокруг звезды. Вычитая яркость во время вторичного затмения (когда планета находится за звездой) из яркости, когда планета находится прямо рядом со звездой, команда смогла рассчитать количество инфракрасного света различных длин волн, исходящего от дневной стороны планеты.

Этот метод, известный как спектроскопия вторичных затмений, аналогичен тому, который используется другими исследовательскими группами для поиска атмосфер на других каменистых экзопланетах, таких, как TRAPPIST-1 b.

Кривая блеска в диапазоне 7,5-11,8 микрон, снятая MIRI космического аппарата «Джеймс Уэбб» в марте 2023 года, показывает уменьшение яркости системы 55 Cancri по мере того, как каменистая планета 55 Cancri и перемещается за звезду — явление, известное как вторичное затмение.

Измерения температуры 55 Cancri и основанные на ее тепловом излучении, то есть тепловой энергии, излучаемой в виде инфракрасного света, говорят о том, что температура дневной стороны должна составлять около 2 200 градусов Цельсия. В отличие от этого, данные MIRI показали относительно «низкую» температуру — около 1540 градусов Цельсия. Это, как объясняют ученые, является очень сильным признаком того, что энергия распределяется от дневной стороны к ночной, скорее всего, под воздействием летучей атмосферы. Хотя потоки лавы могут переносить часть тепла на ночную сторону, они не могут перемещать его достаточно эффективно, чтобы объяснить эффект охлаждения.

Атмосфера, постоянно пополняемая магмой

Изучив данные «Уэбба», команда увидела закономерности, свидетельствующие о наличии у этой экзопланеты богатой летучими веществами атмосферы. «Мы видим свидетельства провала в спектре между 4 и 5 микронами: меньше этого света попадает в телескоп«, — пояснил соавтор исследования Аарон Белло-Аруф из JPL. «Это говорит о наличии атмосферы, содержащей монооксид или диоксид углерода, которые поглощают эти длины волн света». Планета без атмосферы или с атмосферой, состоящей только из испарившейся породы, не имела бы такой специфической спектральной характеристики.

Команда, однако, считает, что газы, покрывающие 55 Cancri, присутствуют не с момента образования планеты, а поступают из ее магматических недр. «Первичная атмосфера давно бы исчезла из-за высокой температуры и интенсивного излучения звезды«, — говорит Белло-Аруф. «Это была бы вторичная атмосфера, которая постоянно пополняется за счет океана магмы. Магма — это не только кристаллы и жидкая порода. В ней также много растворенного газа«.

Хотя 55 Cancri слишком горяча, чтобы быть пригодной для жизни, она может стать важной отправной точкой для изучения взаимодействий между атмосферами, поверхностями и внутренними слоями каменистых планет. И таким образом, возможно, даст представление об условиях ранней Земли, Венеры и Марса, которые, вероятно, также были покрыты океаном магмы.

С исследованием, опубликованным в журнале Nature, можно ознакомиться здесь.