На раскаленной суперземле нашли водородную атмосферу вопреки ожиданиям

❋ 4.6

Астрономы впервые зафиксировали мощный и изменчивый сигнал монооксида углерода в атмосфере экзопланеты 55 Рака е (55 Cnc e) — одного из известнейших «лавовых миров» в Галактике. Выяснилось, что атмосфера этой суперземли может быстро меняться, а условия на ней напоминают те, что существовали на ранней Земле.

Астрономия

# атмосфера

# Джеймс Уэбб

# лава

# магма

# спектральный анализ

# Суперземля

Горячая суперземля 55 Рака е в представлении художника. / © NASA

55 Рака е расположена на расстоянии примерно 41 светового года от нашей планеты и обращается вокруг родительской звезды всего за 17,7 часа. Из-за экстремальной близости к светилу поверхность этого мира нагревается до температур, способных плавить горные породы, превращая значительную часть внешнего слоя в гигантский океан магмы. Такие объекты называют лавовыми планетами.

Исследователи давно подозревали, что 55 Рака е обладает атмосферой, однако ее состав и поведение оставались предметом споров. Предыдущие наблюдения, выполненные с помощью космической обсерватории «Джеймс Уэбб», показали, что тепловое излучение планеты со временем заметно меняется, а в атмосфере могут присутствовать углеродсодержащие газы.

Международная исследовательская группа повторно проанализировала пять наборов данных «Уэбба». Данные при этом использовали в полном спектральном разрешении, а не в усредненном виде, как это делали раньше. Подход позволил искать не широкие спектральные особенности, а отдельные молекулярные линии. Для этого ученые применили метод кросс-корреляции, который усиливает слабые сигналы от множества спектральных линий одной и той же молекулы.

По итогу в одном из пяти наблюдений выявили очень сильный сигнал монооксида углерода (CO) с достоверностью около восьми сигм — это уровень, практически исключающий случайное происхождение сигнала. Еще в двух наблюдениях были более слабые намеки на присутствие того же газа. В остальных наблюдениях сигнал либо отсутствовал вовсе, либо был много слабее.

Интересно, что CO зафиксировали не в поглощении, а в излучении. Обычно это означает, что верхние слои атмосферы горячее нижних. Чтобы воспроизвести такой эффект в компьютерных моделях, астрономам пришлось предположить существование очень сильной температурной инверсии — перевернутого температурного профиля, при котором температура резко возрастает на высоте нескольких миллибар.

Правда, даже такие экстремальные модели с трудом объясняли наблюдаемую силу сигнала. Атмосфера также должна была содержать чрезвычайно мало углекислого газа (CO₂). Расчеты показали, что его содержание должно быть как минимум в тысячу раз ниже концентрации монооксида углерода. В противном случае линии CO были бы скрыты более сильным сигналом CO₂.

Наиболее подходящими оказались модели атмосферы, богатой водородом. В таких условиях легче формируются резкие температурные инверсии, а химическое равновесие естественным образом смещается в сторону образования CO вместо CO₂. Это, по мнению авторов статьи, может указывать на химически восстановленное состояние магматического океана внутри планеты, из которого постоянно выделяются газы.

Изменчивость сигнала была не менее интригующей. Атмосфера 55 Рака е может находиться в состоянии постоянных перестроек. Одно из возможных объяснений связано с периодическими выбросами газов из магматического океана.

Другая гипотеза предполагает существование цикла «выделение газа — образование облаков»: выброшенное вещество формирует облака, которые охлаждают поверхность и временно подавляют дальнейшее газовыделение. После рассеивания облаков процесс начинается заново. Также нельзя исключать влияние мощных атмосферных потоков или даже частичного истечения атмосферы в космос под воздействием излучения звезды.

Пока ученые не могут однозначно определить, какой именно механизм отвечает за наблюдаемое поведение атмосферы. В будущем астрономы намерены изучить этот мир с помощью наземного инструмента METIS на Очень большом телескопе (ELT). Его возможности, по оценкам, позволят точнее отслеживать изменения атмосферы 55 Рака е. Результаты научной работы опубликованы на сервере препринтов Корнеллского университета.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Автор освещает темы из разных областей науки, включая астрономию, палеонтологию и генетику. Пишет о научных открытиях, природных явлениях и эволюционных процессах.