Хоча вони не обертаються навколо Сонця, субнептуни є найпоширенішим типом екзопланет, або планет поза Сонячною системою, які астрономи спостерігають в нашій галактиці. Ці маленькі, газові планети оповиті таємницею… і часто, великою кількістю серпанку. Тепер, виконавши спостереження екзопланети TOI-421 b, космічний телескоп Джеймса Вебба допоміг науковцям зрозуміти субнептуни так, як це було неможливо до запуску телескопа. Результати дослідження опубліковані в The Astrophysical Journal Letters.

«Я всю свою кар’єру чекала на “Вебба”, щоб ми могли змістовно охарактеризувати атмосфери цих невеликих планет», — сказала головний дослідник Еліза Кемптон (Eliza Kempton) з Мерілендського університету в Коледж-Парку. «Вивчаючи їхні атмосфери, ми краще розуміємо, як субнептуни формувалися та розвивалися, і частково це пояснює, чому їх немає в Сонячній системі».

Маленькі, холодні, оповиті серпанком

Існування планет типу субнептун було несподіваним до того, як їх було відкрито за допомогою космічного телескопа NASA «Кеплер» (Kepler), що нині виведений з експлуатації. Тепер астрономи намагаються зрозуміти, звідки взялися ці планети та чому вони такі поширені.

До «Вебба» у науковців було дуже мало інформації про них. Хоча субнептуни в кілька разів більші, ніж Земля, вони водночас набагато менші за газові планети-гіганти та зазвичай холодніші, ніж гарячі Юпітери. Через це їх набагато складніше спостерігати, ніж їхні аналоги — газові планети-гіганти.

Головним відкриттям до «Вебба» було те, що більшість атмосфер субнептунів мали плоскі або безликі спектри пропускання. Це означає, що коли дослідники реєстрували спектр планети під час її проходження перед своєю материнською зорею, замість того, щоб бачити спектральні особливості — хімічні відбитки, які б розкрили склад атмосфери, — вони бачили лише спектр з рівномірними лініями. Тому астрономи дійшли висновку, що принаймні деякі субнептуни, ймовірно, дуже сильно затьмарені хмарами або серпанком.

Інший тип субнептуна?

«Чому ми спостерігали цю планету, TOI-421 b? Бо ми вважали, що, можливо, на ній не буде серпанку», — сказала Кемптон. «А причина полягає в тому, що були деякі попередні дані, які вказували — можливо, планети в певному діапазоні температур менше оповиті серпанком або хмарами, ніж інші».

Цей температурний поріг становить близько 577 градусів за Цельсієм. Науковці висунули гіпотезу, що нижче цього значення між сонячним світлом і метаном відбуватиметься складний набір фотохімічних реакцій, і це спричинить серпанок. Але гарячіші планети не мусять мати метану, а отже, можливо, не мають серпанку.

Температура TOI-421 b становить близько 727 градусів за Цельсієм, що значно вище передбачуваного порогу. Дослідники очікували побачити чисту атмосферу без серпанку чи хмар — і вони побачили!

На малюнку художника показано, який вигляд може мати гаряча екзопланета субнептуна TOI-421 b. TOI-421 b обертається навколо зорі, схожої на Сонце, приблизно за 244 світлових років від Землі в напрямку сузір’я Зайця. За розміром, масою і щільністю планета міститься між Землею та Нептуном, а її зоря трохи менша та холодніша, ніж Сонце. Однак, оскільки планета обертається надзвичайно близько до зорі (лише 0,056 астрономічної одиниці, або 5,6% відстані між Землею та Сонцем), вона дуже гаряча. Спектроскопічні спостереження TOI-421 b, отримані за допомогою NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) та NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) на космічному телескопі імені Джеймса Вебба NASA, надають вагомі докази наявності води (H₂O) та можливої ​​присутності діоксиду сірки (SO₂) та чадного газу (CO) в атмосфері планети, багатій на водень. На відміну від холодніших субнептунів, TOI-421 b, здається, має чисту атмосферу, яка не оповита хмарами та серпанком. Уявлення цього художника базується на спектроскопічних даних, зібраних «Веббом», а також на попередніх спостереженнях за допомогою інших телескопів на Землі та в Космосі. «Вебб» не отримував жодних знімків планети. Авторські права на зображення: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI). Фото з сайту https://phys.org.

Несподіване відкриття

«Ми побачили спектральні особливості, які пояснюємо різними газами, і це дало нам змогу визначити склад атмосфери», — сказав аспіранти Мерілендського університету Браян Девенпорт (Brian Davenport), який виконував первинний аналіз даних.

«Тоді як у випадку з багатьма іншими субнептунами, які спостерігали раніше, ми знаємо, що їх атмосфери складаються з чогось, але вони блокуються серпанком».

Наукова група виявила водяну пару в атмосфері планети, а також попередні сліди чадного газу та діоксиду сірки. Також є молекули, які вони не виявили, такі як метан та вуглекислий газ. З отриманих даних науковці також зробили висновок про те, що в атмосфері TOI-421 b міститься велика кількість водню.

Легка воднева атмосфера стала великим сюрпризом для дослідників. «Ми нещодавно припустили, що ті перші кілька субнептунів, які спостерігав “Вебб”, мали атмосфери з важких молекул, тому це було нашим очікуванням, а потім ми виявили протилежне», — сказала Кемптон. Це свідчить про те, що TOI-421 b міг сформуватися та еволюціонувати інакше, ніж холодніші субнептуни, які астрономи спостерігали раніше.

Чи унікальна TOI-421 b?

Атмосфера, в якій переважає водень, також цікава тим, що вона імітує склад материнської зорі TOI-421 b. «Якби ви просто взяли той самий газ, із якого складається зоря, помістили його поверх атмосфери планети при набагато нижчій температурі цієї планети, ви отримали б таку ж комбінацію газів. Цей процес більше відповідає планетам-гігантам Сонячної системи та відрізняється від інших субнептунів, які досі спостерігали за допомогою “Вебба”», — сказала Кемптон.

Окрім того, що TOI-421 b гарячіший за інші субнептуни, які раніше спостерігали за допомогою «Вебба», він обертається навколо зорі, схожої на Сонце. Більшість інших субнептунів, які досі спостерігали, обертаються навколо менших, холодніших зір, які називаються червоними карликами.

Чи є TOI-421b символом гарячих субнептунів, що обертаються навколо зір, схожих на Сонце, чи це просто тому, що екзопланети дуже різноманітні? Щоб з’ясувати це, дослідники хотіли б спостерігати більше гарячих субнептунів. Це допоможе їм визначити, чи це унікальний випадок, чи ширша тенденція. Вони сподіваються отримати уявлення про формування та еволюцію цих поширених екзопланет.

«Ми відкрили новий спосіб вивчення цих субнептунових планет», — сказав Девенпорт. «Ці планети з високою температурою можна описувати. Тож, розглядаючи субнептуни з такою температурою, ми, можливо, з більшою ймовірністю зможемо пришвидшити нашу здатність вивчати ці планети».

За інф. з сайту https://phys.org