Есть ли атмосфера у каменистых планет возле красных карликов? Данные JWST по LTT 1445A b склоняются к ответу «нет»

Исследователи из Института SETI, NASA Ames Research Center и других научных центров представили новую методику анализа спектров вторичных затмений каменистых экзопланет у звезд-карликов M-типа. Они обнаружили, что имеющиеся данные телескопа Джеймс Уэбб (JWST) для планеты LTT 1445A b не требуют наличия атмосферы — наблюдаемый спектр успешно объясняется моделью голой скальной поверхности. Статья опубликована в препринте на arXiv (n2605.14997v1) и готовится к публикации в рецензируемом журнале (AAS Journals).

В новом исследовании ученые пытаются понять, могут ли у маленьких холодных звезд, которые называются красными карликами, существовать каменистые планеты с атмосферой. Это важно, потому что такие звезды в молодости очень активны — намного сильнее, чем сейчас. Их излучение может попросту сдуть любую атмосферу с ближайших планет. С другой стороны, именно возле таких звезд мы сейчас лучше всего можем изучать планеты, похожие на Землю, с помощью телескопа Джеймс Уэбб.

Авторы работы придумали новый способ анализа данных. Раньше многие ученые просто сравнивали наблюдения с несколькими готовыми моделями атмосфер, например, с моделью атмосферы из чистого углекислого газа или из водяного пара. Но такой подход не позволяет учесть все возможные варианты. А стандартные компьютерные программы для извлечения параметров часто используют слишком упрощенные модели температуры и давления, которые могут не соответствовать реальной физике.

Новый метод авторов устроен умнее. Они сначала просчитывают на компьютере множество вариантов атмосферы, которые подчиняются законам физики: передача тепла, парниковый эффект, перенос энергии с дневной стороны на ночную. Только после этого они сравнивают эти модели с реальными наблюдениями. Получается, что ученые ищут ответ не среди любых мыслимых атмосфер, а только среди тех, которые действительно возможны с точки зрения науки.

Для проверки своего метода они взяли планету LTT 1445A b. Это каменистый мир размером больше Земли (так называемая Суперземля — 1,34 радиуса Земли, масса — 2,73 массы Земли), температура на его поверхности около 150 градусов Цельсия. Планета находится очень близко к своей звезде и всегда повернута к ней одной стороной, как Луна к Земле.

Что же показал анализ? Оказалось, что для объяснения данных вовсе не нужна атмосфера. Простая модель, в которой планета — это просто раскаленный камень, отлично подходит к наблюдениям. Когда ученые сравнили сложную модель с атмосферой и простую модель без нее, статистические тесты показали, что простая модель предпочтительнее. Проще говоря, усложнять картину и придумывать атмосферу нет никакой необходимости, данные этого не требуют.

Но даже если предположить, что какая-то атмосфера все-таки есть, то она должна быть очень тонкой. Верхняя граница давления у поверхности — около 0,6 бара, то есть примерно 60% от давления земной атмосферы. Причем большую часть этой атмосферы должны составлять газы, которые плохо поглощают тепло, например, кислород, азот или угарный газ. А вот углекислого газа может быть не больше одной десятой бара (это в десять раз меньше, чем в атмосфере Венеры, но сопоставимо с земным уровнем). Водяного пара не больше тысячной доли бара (это гораздо меньше, чем в земной атмосфере), а диоксида серы и того меньше.

Ученые проверили, насколько надежны эти выводы. Они рассмотрели самый крайний случай — предположили, что планета вообще не переносит тепло с дневной стороны на ночную. Даже при таком допущении давление не может превышать нескольких бар, потому что иначе спектр планеты выглядел бы совсем не так, как наблюдает телескоп.

Также авторы изучили, не могут ли помешать интерпретации облака или пыль. Оказалось, что облака из воды или из вулканических газов на такой горячей планете скорее всего не образуются. Самый вероятный вид аэрозоля — это пыль, поднятая с поверхности, как на Марсе. Но пыль только ухудшила бы ситуацию для плотной атмосферы: она подавляет спектральные особенности и заставляет атмосферу выглядеть еще плотнее. То есть если бы ученые включили пыль в расчеты, то ограничения на давление стали бы только строже.

Что касается будущего, то исследователи оптимистичны. Уже запланированы новые наблюдения этой планеты с помощью специального фильтра, который чувствителен к углекислому газу. Если точность этих измерений достигнет 20 миллионных долей (это очень высокая точность), то даже ту плотную атмосферу, которая еще допустима текущими данными (например, 1 бар кислорода и немного углекислого газа), можно будет надежно обнаружить. По расчетам ученых, для такой точности потребуется как минимум четыре независимых наблюдения затмений.

Главный вывод работы состоит в том, что существующие данные JWST по LTT 1445A b не требуют привлечения атмосферы — простая модель голой скалы соответствует наблюдениям не хуже сложных атмосферных моделей. Если атмосфера все же присутствует, ее поверхностное давление не превышает примерно 0,6 бара, а состав почти полностью определяется оптически тонкими газами, такими как кислород или азот. Разработанная авторами методика климатически обоснованного байесовского вывода позволит в будущем превращать спектры вторичных затмений каменистых планет в количественные ограничения, необходимые для проверки гипотез о сохранении атмосфер у экзопланет, включая концепцию «космической береговой линии».

Присоединяйтесь к нам в соцсетях