TOI-421 b: загадка горячего субнептуна без дымки
Субнептуны — небольшие газообразные экзопланеты, превосходящие по размеру Землю, но уступающие газовым гигантам, — остаются одной из главных загадок современной астрономии. Их открытие космическим телескопом «Кеплер» стало неожиданностью, поскольку такие планеты отсутствуют в Солнечной системе, но при этом они являются наиболее распространённым типом экзопланет в Млечном Пути. До недавнего времени их изучение было крайне затруднено из-за технических ограничений, однако запуск космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) позволил совершить прорыв в исследовании их атмосфер.
До появления JWST астрономы сталкивались с проблемой: спектры большинства субнептунов были «плоскими», то есть не содержали четких спектральных линий, указывающих на состав атмосферы. Это навело ученых на мысль, что такие планеты могут быть окутаны плотной дымкой или облаками, блокирующими излучение и делающими их атмосферы непрозрачными для наблюдений.
Однако субнептуны оказались неоднородным классом. Некоторые из них, находящиеся в более горячих температурных диапазонах, теоретически могли избежать образования дымки. В частности, предполагалось, что при температуре выше ~577°C фотохимические реакции, приводящие к образованию метана и, как следствие, дымки, прекращаются. Это стало ключевой гипотезой, которую решила проверить команда исследователей под руководством Элизы Кемптон из Мэрилендского университета.
TOI-421 b: исключение из правил
Выбор пал на экзопланету TOI-421 b, температура которой составляет около 727°C, что значительно выше предполагаемого порога. Кроме того, эта планета вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, в отличие от большинства ранее изученных субнептунов, которые обращаются вокруг красных карликов.
Наблюдения JWST подтвердили ожидания ученых: спектр TOI-421 b оказался не плоским, а содержащим четкие признаки различных газов. В атмосфере были обнаружены:
- водяной пар (H₂O),
- предварительные следы оксида углерода (CO) и диоксида серы (SO₂),
- отсутствие метана (CH₄) и диоксида углерода (CO₂).
Но самым неожиданным открытием стало доминирование водорода (H₂) в атмосфере планеты. Это резко контрастирует с предыдущими наблюдениями других субнептунов, где предполагалось преобладание более тяжелых молекул.
Происхождение TOI-421 b: новая загадка
Состав атмосферы TOI-421 b напоминает звездный материал, что сближает ее с газовыми гигантами вроде Юпитера, а не с типичными субнептунами. Это может указывать на иной механизм формирования: возможно, планета сохранила первичную водородную оболочку, тогда как другие субнептуны потеряли ее в процессе эволюции.
Другое возможное объяснение — различия в звездных системах. Поскольку TOI-421 b вращается вокруг солнцеподобной звезды, а не красного карлика, ее эволюция могла протекать иначе. Однако для подтверждения этой гипотезы необходимо изучить больше горячих субнептунов в аналогичных условиях.
Спектроскопические наблюдения TOI-421 b, полученные с помощью NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) и NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) на космическом телескопе Джеймс Уэбб, демонстрируют убедительные доказательства наличия воды (H2O) и возможного присутствия диоксида серы (SO2) и оксида углерода (CO) в богатой водородом атмосфере планеты.
В отличие от более холодных субнептунов, TOI-421 b, по-видимому, имеет чистую атмосферу, не окутанную облаками и дымкой. Эта концепция художника основана на спектроскопических данных, собранных Уэббом, а также на предыдущих наблюдениях с других телескопов на земле и в космосе.
Значение исследования и дальнейшие шаги
Данное исследование впервые позволило детально изучить атмосферу субнептуна без помех в виде дымки. Это открывает новый путь для понимания формирования и эволюции таких планет. В частности, учёные надеются выяснить:
- Является ли TOI-421 b исключением или представителем отдельного подкласса горячих субнептунов?
- Как температура и тип звезды влияют на состав атмосферы?
- Почему в Солнечной системе нет аналогов субнептунов?
Результаты исследования, опубликованные в The Astrophysical Journal Letters, подчеркивают важность JWST в изучении экзопланет. Телескоп не только подтвердил теоретические предположения, но и выявил новые загадки, демонстрируя, что разнообразие экзопланет ещё более сложное, чем считалось ранее.
Перспективы
Следующим шагом станет наблюдение других субнептунов в высокотемпературном диапазоне, чтобы определить, насколько распространены планеты с водородными атмосферами. Если TOI-421 b окажется частью более широкой группы, это может привести к пересмотру классификации субнептунов и их места в эволюции планетных систем.
Таким образом, JWST продолжает революцию в астрономии, предоставляя инструменты для разгадки тайн Вселенной — от формирования планет до их химического состава. TOI-421 b стала лишь одним из первых шагов в этом направлении, и будущие открытия, вероятно, преподнесут еще больше сюрпризов.