Астрономы не нашли плотной атмосферы у каменистой экзопланеты TRAPPIST-1C

Инфракрасные наблюдения экзопланеты TRAPPIST-1с показывают, что она, вероятно, не так похожа на Венеру, как предполагалось ранее.

Космический телескоп Джеймс Уэбб успешно измерил тепловое излучение экзопланеты TRAPPIST-1с, вращающейся вокруг красного карлика в 40 световых годах от Земли. С дневной температурой около 107 градусов по Цельсию это самая холодная каменистая планета, когда-либо охарактеризованная с помощью этого метода.

К сожалению, для тех, кто надеется, что система TRAPPIST-1 является настоящим аналогом нашей, результаты немного разочаровывают. Хотя TRAPPIST-1с имеет примерно такой же размер и массу, как Венера, и получает такое же количество излучения от своей звезды, маловероятно, что у нее будет такая же плотная атмосфера из углекислого газа.

Это указывает на то, что планета и, возможно, система в целом могли образоваться при очень небольшом количестве воды. Такой результат получен в стремлении определить, сможет ли планетарная атмосфера выжить в агрессивной среде красного карлика.

Международная группа исследователей использовала космический телескоп Джеймс Уэбб для расчета количества тепловой энергии, исходящей от каменистой экзопланеты TRAPPIST-1с. Результат предполагает, что атмосфера планеты — если она вообще существует — чрезвычайно разряженная.

С дневной температурой около 380 Кельвинов (около 107 ° C) TRAPPIST-1с теперь является самой холодной каменистой экзопланетой, когда-либо охарактеризованной на основе теплового излучения. Точность, необходимая для этих измерений, еще раз демонстрирует полезность Уэбба в характеристике скалистых экзопланет, аналогичных по размеру и температуре тем, что находятся в нашей Солнечной системе.

«Мы хотим знать, есть ли у каменистых планет атмосфера или нет», — сказал Себастьян Зиеба из Института астрономии Макса Планка в Германии и первый автор исследования. «В прошлом мы могли по-настоящему изучать только планеты с плотной, богатой водородом атмосферой. С Уэббом мы, наконец, можем начать поиск атмосфер, в которых преобладают кислород, азот и углекислый газ».

«TRAPPIST-1с интересна тем, что это, по сути, близнец Венеры: она примерно такого же размера, как Венера, и получает такое же количество излучения от своей звезды-хозяина, как Венера получает от Солнца. Мы думали, что у нее может быть плотная атмосфера из углекислого газа, как у Венеры».

TRAPPIST-1с — одна из семи каменистых планет, вращающихся вокруг холодного красного карлика (или М-карлика) в 40 световых годах от Земли. Хотя планеты по размеру и массе схожи с внутренними каменистыми планетами в нашей Солнечной системе, неясно, действительно ли у них есть похожая атмосфера. Такой вопрос возникает потому, что в течение первого миллиарда лет своей жизни красные карлики посылают жесткое рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, которое может легко лишить молодую планету атмосферы.

Кроме того, непонятно, могло или не могло там быть достаточно воды, углекислого газа и других летучих веществ, чтобы создать существенную атмосферу, когда формировались планеты.

Чтобы ответить на эти вопросы, ученые использовали MIRI (инструмент среднего инфракрасного диапазона Уэбба) для наблюдения за системой TRAPPIST-1 в четырех отдельных случаях, когда планета двигалась за звездой — явление, известное как вторичное затмение. Сравнивая яркость, когда планета находится за звездой (только свет звезды), с яркостью, когда планета находится рядом со звездой (свет от звезды и планеты вместе), астрономы смогли рассчитать количество среднего инфракрасного света с длинами волн 15 микрон, которое испускает дневная сторона планеты.

Этот метод аналогичен тому, который использовала другая исследовательская группа, чтобы определить, что TRAPPIST-1b, самая внутренняя планета в системе, вероятно, лишена какой-либо атмосферы.

Количество среднего инфракрасного света, излучаемого планетой, напрямую связано с ее температурой, на которую, в свою очередь, влияет атмосфера. Углекислый газ поглощает свет с длиной волны 15 микрон, из-за чего планета кажется более тусклой на этой длине волны. Однако облака могут отражать свет, делая планету ярче и маскируя присутствие углекислого газа.

Кроме того, существенная атмосфера любого состава будет перераспределять тепло с дневной стороны на ночную, в результате чего дневная температура будет ниже, чем она была бы без атмосферы. (Поскольку TRAPPIST-1с вращается так близко к своей звезде — примерно на 1/50 расстояния между Венерой и Солнцем — считается, что она заблокирована приливами — с одной стороны в вечном дневном свете, а с другой в вечной тьме.)

Хотя эти первоначальные измерения не дают окончательной информации о природе TRAPPIST-1с, они помогают сузить вероятные возможности. «Наши результаты согласуются с тем, что планета представляет собой голую скалу без атмосферы, или планету с очень тонкой атмосферой CO ₂ (менее плотной, чем на Земле или даже на Марсе) без облаков», — говорят ученые.

«Если бы у планеты была плотная атмосфера из СО ₂ , мы бы наблюдали очень мелкое вторичное затмение или вообще не наблюдали бы его. Это потому, что СО ₂ поглощал бы весь 15-микронный свет, поэтому мы бы не обнаружили никаких затмений, пришедших с планеты».

Отсутствие плотной атмосферы предполагает, что планета могла образоваться с относительно небольшим количеством воды. Если более прохладные и более умеренные планеты системы TRAPPIST-1 образовались в аналогичных условиях, они тоже могли начинаться с небольшого количества воды и других компонентов, необходимых для того, чтобы сделать планету пригодной для жизни.

Чувствительность, необходимая для того, чтобы заметить различные атмосферные сценарии на такой маленькой планете, которая находится так далеко, действительно поразительна. Уменьшение яркости, обнаруженное Уэббом во время вторичного затмения, составило всего 0,04 процента: это эквивалентно тому, что вы смотрите на дисплей из 10 000 крошечных лампочек и замечаете, что погасли только четыре.

«Удивительно, что мы можем это измерить», — говорят ученые. «В течение десятилетий были вопросы о том, могут ли скалистые планеты сохранять атмосферу. Способность Уэбба действительно приводит нас в режим, в котором мы можем начать сравнивать экзопланетные системы с нашей солнечной системой так, как никогда раньше».

Это исследование было проведено в рамках программы 2304 General Observers (GO), которая является одной из восьми программ первого года научной работы Уэбба, призванных помочь полностью охарактеризовать систему TRAPPIST-1. В следующем году астрономы проведут дополнительное исследование, чтобы наблюдать за полными орбитами TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1c. Это позволит увидеть, как температура меняется от дневной к ночной сторонам двух планет, и даст дополнительные ограничения на то, есть ли у них атмосферы или нет.