Астрономы с помощью JWST подтверждают, что атмосферы экзопланет-гигантов сильно различаются
Планеты — газовые гиганты, вращающиеся вокруг Солнца, демонстрируют четкую закономерность; чем массивнее планета, тем ниже процент «тяжелых» элементов (любых, кроме водорода и гелия) в атмосфере планеты. Но в других планетных системах состав атмосферы планет-гигантов не соответствует тенденции Солнечной системы, как выяснила международная группа астрономов.
С помощью космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) исследователи обнаружили, что атмосфера экзопланеты HD149026b, «горячего Юпитера», вращающегося вокруг звезды, сравнимой с Солнцем, богата более тяжелыми элементами — углеродом и кислородом — там их намного больше, чем предполагали ученые и что можно было ожидать от планеты с такой массой.
Кроме того, отношение углерода к кислороду у экзопланеты HD149026b, которую еще называют по имени галльского бога войны — Смертриос, повышено по сравнению с нашей Солнечной системой.
Эти результаты, опубликованные в статье в журнале Nature, являются важным первым шагом к получению аналогичных измерений для большой выборки экзопланет с целью поиска статистических тенденций, заявили исследователи. Они также дают представление о формировании планет.
«Похоже, что каждая гигантская планета отличается, и мы начинаем видеть эти различия благодаря JWST», — сказал Джонатан Лунин, соавтор исследования. «Мы определили, сколько молекул существует по отношению к первичному компоненту, то есть водороду, наиболее распространенному элементу во Вселенной. Это довольно много говорит нам о том, как образовалась эта планета».
Планеты-гиганты нашей Солнечной системы демонстрируют почти идеальную корреляцию как между общим составом, так и между составом атмосферы и массой, сказал Джейкоб Бин, профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета и ведущий автор статьи. Внесолнечные планеты демонстрируют гораздо большее разнообразие общего состава, но ученые не знали, насколько разнообразен их атмосферный состав, до этого анализа HD149026b.
«Мы окончательно показали, что состав атмосферы гигантских внесолнечных планет не следует той же тенденции, которая столь очевидна для планет Солнечной системы», — сказал Джейкоб Бин. «Гигантские внесолнечные планеты демонстрируют большое разнообразие в составе атмосферы в дополнение к их широкому разнообразию общего состава».
Смертриос, например, сверхобогащен по сравнению с его массой. «У него масса Сатурна, но в его атмосфере, по-видимому, в 27 раз больше тяжелых элементов по сравнению с водородом и гелием, которые мы находим на Сатурне».
Это соотношение, называемое «металличностью» (хотя оно включает в себя много элементов, которые не являются металлами), полезно для сравнения планеты с ее звездой или с другими планетами в ее системе. Смертриос — единственная планета, известная в этой конкретной планетной системе.
Другим ключевым измерением является соотношение углерода к кислороду в атмосфере планеты, которое раскрывает «рецепт» исходных твердых частиц в планетной системе. Для Смертриоса это примерно 0,84 — выше, чем в нашей Солнечной системе. На нашем Солнце на каждые два атома кислорода приходится чуть больше одного углерода (0,55).
«В совокупности эти наблюдения рисуют картину планетообразующего диска с большим количеством твердых частиц, богатых углеродом», — говорят ученые. «HD149026b приобрел большое количество этого материала по мере его формирования».
Хотя обилие углерода может показаться благоприятным для жизни, высокое соотношение углерода к кислороду на самом деле означает меньшее количество воды на планете или в планетной системе — проблема для жизни, какой мы ее знаем.
Смертриос — это пока интересный первый случай по определению состава атмосферы для этого конкретного исследования. Ученые планируют наблюдать еще пять гигантских экзопланет в следующем году с помощью JWST.
Потребуется еще много наблюдений, прежде чем астрономы смогут обнаружить какие-либо закономерности среди планет-гигантов или в системах с множеством планет-гигантов или планет земной группы в соответствии с тем разнообразием состава, которое астрономы начинают документировать.
«Происхождение этого разнообразия является фундаментальной загадкой в нашем понимании формирования планет», — говорят ученые. «Мы надеемся, что дальнейшие атмосферные наблюдения внесолнечных планет с помощью JWST позволят лучше оценить это разнообразие и выявить ограничения на более сложные тенденции, которые могут существовать».