Исследователи с помощью космического телескопа НАСА "Джеймс Уэбб", возможно, обнаружили атмосферные газы вокруг 55 Cancri e, горячей каменистой экзопланеты, находящейся на расстоянии 41 светового года от Земли. Это лучшее на сегодняшний день доказательство существования атмосферы у каменистой планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Реню Ху из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в Пасадене (Калифорния) является ведущим автором статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature. "Уэбб" расширяет границы изучения экзопланет до каменистых планет", — сказал Ху. "Он действительно открывает возможности для нового типа науки".

Супергорячая суперземля 55 Cancri e

55 Cancri e, также известная как Янссен, — одна из пяти известных планет, вращающихся вокруг солнцеподобной звезды 55 Cancri в созвездии Рака. Диаметр планеты почти в два раза превышает диаметр Земли, а плотность немного больше, поэтому она классифицируется как суперземля: больше Земли, меньше Нептуна и, вероятно, схожа по составу с каменистыми планетами нашей Солнечной системы.

Однако описание 55 Cancri e как "каменистой" может создать неверное впечатление. Планета вращается так близко к своей звезде (около 2,2 млн км, или одна двадцать пятая расстояния между Меркурием и Солнцем), что её поверхность, скорее всего, расплавлена — это бурлящий океан магмы. При такой малой орбите планета, скорее всего, находится в приливном захвате своей звезды: её дневная сторона постоянно обращена к светилу, а ночная находится в вечной темноте.

Несмотря на многочисленные наблюдения с момента обнаружения транзита
в 2011 году, вопрос о том, есть ли у 55 Cancri e атмосфера — или может ли она существовать в принципе, учитывая её высокую температуру и постоянное давление звёздного излучения и ветра от её звезды — оставался без ответа.

"Я работала над этой планетой более десяти лет", — говорит Диана Драгомир, исследователь экзопланет из Университета Нью-Мексико и соавтор исследования. "Было очень обидно, что ни одно из наблюдений, которые мы получали, не давало надёжного решения этих загадок. Я очень рада, что мы наконец-то получили ответы!"

В отличие от атмосфер газовых планет-гигантов, которые относительно легко обнаружить (первая была обнаружена космическим телескопом НАСА "Хаббл" более двух десятилетий назад), более тонкие и плотные атмосферы, окружающие каменистые планеты, остаются неуловимыми.

Предыдущие исследования 55 Cancri e с помощью данных космического телескопа НАСА "Спитцер", ныне вышедшего из эксплуатации, позволили предположить наличие существенной атмосферы, богатой летучими веществами (молекулами, которые встречаются на Земле в газообразном состоянии), такими как кислород, азот и углекислый газ. Но исследователи не могли исключить и другой вариант: планета голая, если не считать непрочной пелены испарившейся породы, богатой такими элементами, как кремний, железо, алюминий и кальций. "Планета настолько горячая, что часть расплавленной породы должна испариться", — пояснил Ху.

Измерение небольших вариаций инфракрасных цветов

Чтобы сделать выбор из этих двух возможностей, команда использовала NIRCam (камеру ближнего инфракрасного диапазона) и MIRI (прибор среднего инфракрасного диапазона) для измерения инфракрасного света от 4 до 12 микрон, исходящего от планеты.

Хотя "Уэбб" не может получить прямое изображение 55 Cancri e, он может измерить тонкие изменения в свете системы, когда планета вращается вокруг звезды.

Вычитая яркость во время вторичного затмения, когда планета находится за звездой (только свет звезды), из яркости, когда планета находится прямо возле звезды (свет от звезды и планеты вместе), команда смогла рассчитать количество инфракрасного света различных длин волн, исходящего от дневной стороны планеты.

Этот метод, известный как вторичная спектроскопия затмения
схож с тем, который используется другими исследовательскими группами для поиска атмосфер на других каменистых экзопланетах, таких как TRAPPIST-1 b.

Прохладнее, чем ожидалось

Первые признаки того, что 55 Cancri e может иметь существенную атмосферу, появились благодаря измерениям температуры, основанным на её тепловом излучении, или тепловой энергии, излучаемой в виде инфракрасного света. Если планета покрыта тёмной расплавленной породой с тонкой вуалью испарившейся породы или вообще не имеет атмосферы, то дневная температура должна составлять ~2 200°С.

"Вместо этого данные MIRI показали относительно низкую температуру — около ~1540°С", — говорит Ху. "Это очень сильный признак того, что энергия распределяется от дневной стороны к ночной, скорее всего, за счёт богатой летучими веществами атмосферы". Хотя потоки лавы могут переносить некоторое количество тепла на ночную сторону, они не могут перемещать его достаточно эффективно, чтобы объяснить эффект охлаждения.

Когда команда изучила данные NIRCam, они увидели закономерности, согласующиеся с богатой летучими веществами атмосферой. «Мы видим признаки провала в спектре между 4 и 5 микронами — меньше этого света достигает телескопа», — объясняет соавтор Аарон Белло-Аруф, также из NASA JPL. "Это говорит о наличии атмосферы, содержащей окись или двуокись углерода, которые поглощают эти длины волн света". Планета без атмосферы или с атмосферой, состоящей только из испарившейся породы, не имела бы такой специфической спектральной особенности.

"Мы потратили последние десять лет на моделирование различных сценариев, пытаясь представить, как может выглядеть этот мир", — говорит соавтор исследования Ямила Мигель из Лейденской обсерватории и Нидерландского института космических исследований (SRON). "Наконец-то мы получили подтверждение нашей работы — это бесценно!"

Пузырящийся океан магмы

Команда считает, что газы, покрывающие 55 Cancri e, выходят из недр, а не присутствуют там с момента образования планеты. "Первичная атмосфера давно бы исчезла из-за высокой температуры и интенсивного излучения от звезды", — говорит Белло-Аруф. «Это была бы вторичная атмосфера, которая постоянно пополняется за счёт океана магмы". Магма — это не только кристаллы и жидкая порода, в ней также много растворённого газа».

Хотя 55 Cancri e слишком горяча, чтобы быть пригодной для жизни, исследователи считают, что она может стать уникальным окном для изучения взаимодействий между атмосферами, поверхностями и внутренностями каменистых планет и, возможно, позволит понять ранние условия существования Земли, Венеры и Марса, которые, как считается, были покрыты океанами магмы далеко в прошлом. "В конечном итоге мы хотим понять, какие условия позволяют скалистой планете поддерживать атмосферу, богатую газом, что является ключевым ингредиентом для пригодной для жизни планеты", — говорит Ху.

Это исследование было проведено в рамках программы общих наблюдателей (GO) "Уэбба" 1952 года. В настоящее время проводится анализ дополнительных наблюдений вторичного затмения 55 Cancri e.