Гелиевые атмосферы могут сделать каменистые экзопланеты теплее и заметнее для телескопов

Ученые из Гарвардского университета, ETH Zurich и Центра астрофизики Harvard & Smithsonian впервые подробно смоделировали климат каменистых экзопланет с атмосферами, в которых преобладает гелий. Исследование показало, что такие атмосферы обладают необычными климатическими свойствами: они нагревают поверхность сильнее, чем азотные атмосферы, но слабее водородных, а также значительно облегчают поиск признаков атмосферы с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб. Работа опубликована в виде препринта на arXiv.

Большинство известных экзопланет вовсе не похожи на Землю. Особенно распространены так называемые субнептуны — миры, размеры которых находятся между Землей и Нептуном. В нашей Солнечной системе подобных планет нет, однако у других звезд они встречаются чрезвычайно часто. За последние годы астрономы пришли к выводу, что некоторые из них способны постепенно терять водород под действием звездного излучения. Поскольку легкий водород улетучивается быстрее гелия, спустя миллионы или даже миллиарды лет атмосфера может стать преимущественно гелиевой. Если при этом газовая оболочка значительно истончается, планета начинает напоминать уже не мини-Нептун, а крупную каменистую суперземлю с весьма необычной атмосферой. Именно такие миры и стали объектом нового исследования.

Авторы поставили перед собой простой, но важный вопрос: каким будет климат планеты, если большую часть ее атмосферы составляет не азот, как на Земле, и не водород, как у многих молодых экзопланет, а гелий? Несмотря на то что гелий является вторым по распространенности элементом во Вселенной, влияние подобных атмосфер на условия на поверхности практически не изучалось.

Для поиска ответа исследователи использовали несколько современных компьютерных моделей атмосферы. Они рассчитывали перенос тепла, взаимодействие излучения со слоями газа, образование конвекции и поведение различных атмосфер при разном давлении, составе и расстоянии до звезды. Дополнительно были смоделированы спектры таких планет, чтобы оценить, насколько хорошо их сможет наблюдать космический телескоп Джеймс Уэбб.

Оказалось, что гелиевая атмосфера ведет себя совсем не так, как можно было ожидать. Хотя сам гелий практически не является парниковым газом, его физические свойства существенно меняют распределение температуры в атмосфере. Поскольку гелий существует в виде отдельных атомов, а не двухатомных молекул, как азот и водород, его атмосфера охлаждается с высотой иначе. В результате поверхность планеты оказывается теплее.

Моделирование показало, что при одинаковом атмосферном давлении поверхность планеты с гелиевой атмосферой может быть примерно на 12–17 градусов теплее, чем аналогичная планета с азотной атмосферой. Однако водородные атмосферы все равно оказываются более эффективными в удержании тепла благодаря дополнительному механизму инфракрасного поглощения, возникающему при столкновениях молекул водорода.

Исследование также выявило важное различие в отражательной способности атмосфер. Гелий значительно слабее рассеивает солнечный свет, чем азот или водород. Из-за этого планета отражает меньше энергии обратно в космос и поглощает больше звездного излучения. Такой эффект дополнительно повышает температуру поверхности, особенно если планета обращается вокруг холодного красного карлика. В то же время именно низкое альбедо делает такие миры более уязвимыми к развитию неуправляемого парникового эффекта, когда температура начинает быстро расти и океаны могут полностью испариться.

Интересно, что наличие гелия не расширяет потенциальную область существования жидкой воды. Наоборот, расчеты показывают, что зона обитаемости для подобных миров оказывается уже, чем для планет с водородными атмосферами. Внутренняя граница смещается дальше от звезды, потому что поверхность перегревается быстрее, а внешняя — ближе к звезде, поскольку гелий значительно хуже удерживает тепло в холодных условиях. Иными словами, диапазон расстояний, где на поверхности может существовать жидкая вода, становится более ограниченным.

Одновременно ученые обнаружили важное преимущество таких планет для наблюдений. Несмотря на сравнительно узкую потенциальную зону обитаемости, гелиевые атмосферы гораздо легче изучать дистанционно. Причина заключается в их большой высоте. Более легкий газ образует протяженную атмосферу, через которую во время прохождения планеты по диску звезды проходит больше звездного света. Это делает линии поглощения различных веществ значительно заметнее.

В качестве примера исследователи рассмотрели экзопланету LHS 1140 b, которая считается одним из наиболее интересных кандидатов на наличие плотной атмосферы. Компьютерное моделирование показало, что если ее атмосфера действительно богата гелием, то спектральные признаки углекислого газа и водяного пара должны быть хорошо различимы для телескопа Джеймс Уэбб. По сравнению с тяжелыми азотными атмосферами сигнал оказывается значительно сильнее, что существенно облегчает определение химического состава.

Авторы также отмечают, что подобные атмосферы, вероятно, существуют не вечно. Под действием жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения звезды гелий постепенно покидает планету. Однако расчеты показывают, что даже этот процесс может занимать сотни миллионов лет, а в некоторых случаях значительно дольше, что делает вероятность наблюдения подобных миров вполне реальной. Кроме того, в будущем исследователи планируют изучить влияние облаков, аэрозолей и более плотных атмосфер, которые способны заметно изменить полученные результаты.

Исследование впервые показало, что гелиевые атмосферы способны формировать уникальные климатические условия на каменистых экзопланетах. Хотя они уменьшают диапазон условий, пригодных для существования жидкой воды, такие миры становятся значительно более удобными объектами для спектроскопических наблюдений и могут сыграть важную роль в поиске потенциально обитаемых планет с помощью телескопа Джеймс Уэбб (James Webb).

Присоединяйтесь к нам в соцсетях