Исследование экзопланеты TRAPPIST-1b с помощью JWST открывает новые возможности для понимания ее природы

В начале 2017 года астрономы обнаружили семь каменистых планет, вращающихся вокруг холодной карликовой звезды (красного карлика) в 40 световых годах от Земли. Эти планеты по размеру и массе похожи на каменистые планеты в нашей солнечной системе. Однако они вращаются гораздо ближе к своей звезде, чем любая планета в нашей системе вращается вокруг Солнца.

TRAPPIST-1 b, самая внутренняя планета, недавно была подробно исследована телескопом Джеймс Уэбб (JWST) в среднем инфракрасном диапазоне — типе света, к которому наши глаза не чувствительны.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, сообщается о полном анализе всех данных в среднем инфракрасном диапазоне, собранных на TRAPPIST-1 b, чтобы определить, есть ли у этой планеты атмосфера.

«Планеты, вращающиеся вокруг красных карликов, — наш лучший шанс впервые изучить атмосферы каменистых планет умеренного пояса, которые получают излучение звезды аналогичное излучению между Меркурием и Марсом», — говорит Эльза Дюкро, соавтор исследования. «Планеты TRAPPIST-1 представляют собой идеальную лабораторию для этого новаторского исследования».

В предыдущем наблюдении Джеймс Уэбб измерил инфракрасное излучение TRAPPIST-1 b на уровне 15 микрон. Это наблюдение показало, что планета вряд ли имеет атмосферу, богатую CO₂.

Такой вывод был сделан на основе того, что CO₂ сильно поглощает излучение на длине волны 15 микрон, что значительно уменьшило бы наблюдаемый свет, если бы такая атмосфера присутствовала. На основании этого исследования ученые предположили, что наилучшим объяснением был бы сценарий «темной голой скалы», где у планеты нет атмосферы и темная поверхность, поглощающая почти весь входящий звездный свет.

Однако, поскольку измерение проводилось только на одной длине волны, требовалось больше наблюдений, чтобы полностью исключить другие возможные атмосферные условия.

В этом новом исследовании авторы опирались на свою предыдущую работу, измеряя поток TRAPPIST-1 b на другой длине волны, 12,8 микрон. Они провели всесторонний анализ всех доступных данных JWST. Ученые сравнили эти новые наблюдения с различными моделями поверхности и атмосферы, что позволило им определить, какой сценарий лучше всего соответствует данным.

Команда использовала транзитную трансмиссионную спектроскопию, чтобы определить, есть ли у экзопланеты атмосфера. Метод включает наблюдение за транзитами планеты на разных длинах волн, т. е. когда планета проходит перед своей звездой-хозяином, а также обнаружение и измерение крошечной доли света, испускаемого звездой в нашем направлении, которая поглощается ее атмосферой, что является индикатором химического состава.

«Однако красные карлики с очень малой массой представляют собой проблему в этом отношении. Их поверхность неоднородна, и эта неоднородность может загрязнять спектр пропускания транзитных планет и имитировать атмосферные характеристики», — говорит профессор Микаэль Жийон, соавтор исследования.

Это явление наблюдалось многократно с JWST при изучении транзитов планет возле красных карликов. Чтобы преодолеть проблему звездного загрязнения и по-прежнему собирать информацию об атмосфере планеты, ученые могут напрямую измерять тепло планеты, наблюдая падение потока, когда планета проходит позади звезды, событие, называемое затмением. Наблюдая за звездой непосредственно перед и во время затмения, исследователи могут определить, сколько инфракрасного света исходит от планеты.

«Эмиссия быстро стала предпочтительным методом изучения скалистых экзопланет возле красных карликов в течение первых двух лет работы JWST. Первая информация о планетах TRAPPIST-1 поступает из измерений эмиссии, поскольку все еще сложно разделить атмосферные и звездные сигналы при транзите», — говорят ученые.

Результаты исследования не полностью подтверждают сценарий «темной, голой поверхности», предложенный ранее. Вместо этого авторы обнаружили, что поверхность, состоящая из ультрамафических пород — вулканических пород, богатых минералами — лучше объясняет данные, предполагая, что у планеты может быть поверхность, которая не полностью темная, но все еще лишена плотной атмосферы.

В качестве альтернативы авторы показали, что атмосфера с большим количеством CO₂ и дымкой также может объяснить наблюдения. Это было удивительно, поскольку атмосфера, богатая CO₂, противоречила сильному излучению на 15 микронах.

Однако дымка может существенно изменить ситуацию, поглощая звездный свет и нагревая верхние слои атмосферы больше, чем нижние, создавая «термическую инверсию», похожую на стратосферу Земли. Эта инверсия заставляет CO₂ излучать свет вместо того, чтобы поглощать его, что приводит к более высокому значению на 15, а не на 12,8 микрон.

«Эти тепловые инверсии довольно распространены в атмосферах тел Солнечной системы, возможно, наиболее похожим примером является туманная атмосфера спутника Сатурна Титана. Тем не менее, ожидается, что химия в атмосфере TRAPPIST-1b будет сильно отличаться от Титана или любого другого каменистого тела Солнечной системы, и интересно думать, что мы можем наблюдать тип атмосферы, который мы никогда раньше не видели», — говорят ученые.

Авторы отметили: «Однако эта атмосферная модель, хотя и согласуется с данными, остается менее вероятной, чем сценарий голой скалы. Ее сложность и вопросы, связанные с образованием дымки и долгосрочной климатической стабильностью на TRAPPIST-1 b, делают ее сложной для реализации. Для изучения этих вопросов потребуются будущие исследования, включая передовое 3D-моделирование».

Команда подчеркивает сложность уверенного определения поверхности планеты или состава атмосферы исключительно на основе измерений эмиссии на нескольких длинах волн. Они выделяют два многообещающих сценария — поверхность ультрамафических пород и атмосфера с CO₂ и дымкой — которые будут изучены более подробно в ходе будущих наблюдений TRAPPIST-1 b.

«Хотя оба сценария остаются жизнеспособными, наши недавние наблюдения фазовой кривой TRAPPIST-1 b, которая отслеживает движение планеты по всей ее орбите, помогут разгадать эту загадку. Анализируя эффективность перераспределения тепла на планете, астрономы могут сделать вывод о наличии атмосферы. Если атмосфера существует, тепло должно распределяться с дневной стороны планеты на ночную; без атмосферы перераспределение тепла было бы минимальным», — делают вывод исследователи.