Ультрагорячий нептун LTT 9779 b: первое наземное обнаружение водяного пара

Международная группа астрономов под руководством С. Лю из Научно-технического университета Китая с коллегами из Германии, Швеции, Испании, Франции, Чили и других стран провела спектроскопические наблюдения ультрагорячего нептуна LTT 9779 b на телескопе VLT с инструментом CRIRES+ и обнаружила в инфракрасном диапазоне слабый сигнал водяного пара на дневной стороне планеты, а также намек на угарный газ, но не нашла следов убегающего гелиевого облака во время транзита; статья будет опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Есть планеты, которые будто специально созданы, чтобы проверять на прочность наши представления об атмосферах. LTT 9779 b как раз такая. Почти как Нептун по размеру, но по массе почти как Сатурн, он обращается вокруг солнцеподобной звезды всего за 19 часов и раскален до температуры, при которой плавятся некоторые металлы. Этот мир находится в так называемой «пустыне горячих нептунов» — области, где планеты такого размера почему-то почти не встречаются. Именно поэтому астрономы уже несколько лет пытаются понять, как он выжил и что происходит в его воздушной оболочке.

Наблюдения проводились в два захода. В августе 2022 года телескоп смотрел на дневную сторону планеты перед тем, как она скрылась за звездой. А в августе 2023 года во время прохождения планеты по диску звезды. В первом случае ученые искали в инфракрасном спектре следы молекул, которые излучают или поглощают свет в зависимости от температуры и состава атмосферы. Во втором пытались поймать характерное поглощение в линиях гелия, которое обычно выдает мощный поток утекающего газа.

Гелий не проявил себя никак. Верхний предел поглощения оказался очень скромным, менее половины процента, что согласуется с более ранними безуспешными поисками гелия и водорода на этом объекте. Похоже, планета сейчас не теряет атмосферу столь бурно, как можно было бы ожидать при таком пекле. Одна из причин это вероятная высокая металличность: обилие тяжелых элементов утяжеляет газ, делает атмосферу более компактной и сдерживает ее разлет.

А вот на дневной стороне кое-что интересное все же нашлось. Анализ показал уверенный сигнал водяного пара и слабый, предварительный — угарного газа. Суммарная значимость обнаружения достигла почти пяти сигм, что в науке считается надежным результатом. Примечательно, что вода проявилась сильнее угарного газа. У типичных ультрагорячих юпитеров с перевернутой температурной структурой все наоборот: там вода разрушается, а угарный газ выходит на первый план. Здесь же картина иная, и она указывает на то, что выраженной температурной инверсии, слоя, где температура с высотой растет, скорее всего нет.

Этот вывод подтвердился, когда ученые объединили наземные данные с архивными наблюдениями космического телескопа Джеймс Уэбб в ближнем инфракрасном диапазоне. Совместный анализ показал, что температура плавно падает с высотой в том слое, который удается «увидеть» приборам. Вода при этом оказалась в дефиците по сравнению с ожиданиями для солнечного состава, а угарный газ остался плохо ограниченным. Зато удалось оценить скорость вращения экватора планеты — около пяти километров в секунду, что в пределах погрешности совпадает с ожидаемой для синхронно вращающегося тела. Правда, разброс значений пока слишком велик, чтобы делать далеко идущие выводы о ветрах и циркуляции.

Почему атмосфера оказалась такой «прохладной» и неинвертированной? Авторы связывают это с облаками. Планета отражает добрую половину падающего света, и это один из самых зеркальных известных миров. Облака не только отражают излучение звезды, снижая нагрев, но и перераспределяют тепло по вертикали, а заодно могут «вымораживать» железо и другие металлы, которые обычно и создают температурные инверсии. В итоге получается атмосфера, которая ведет себя скорее как у умеренно горячего юпитера, чем как у раскаленного собрата.

Работа важна еще и методически. Она показывает, что даже для такого маленького и тусклого объекта, как далекая экзопланета, наземная высокоразрешающая спектроскопия способна уловить молекулярные сигналы, при условии, что данные объединяют с космическими наблюдениями, которые дают информацию об общей форме спектра. Наземные приборы чутки к относительной глубине отдельных линий и к скорости планеты, космические — к широкополосному профилю излучения. Вместе они работают лучше, чем по отдельности.

В результате исследования можно сказать, что у LTT 9779 b впервые с земли зарегистрирован водяной пар на дневной стороне и не обнаружен заметный гелиевый след во время транзита. Атмосфера планеты, по-видимому, богата тяжелыми элементами, содержит облака и не имеет сильной температурной инверсии в исследованном диапазоне давлений. Авторы подчеркивают, что для уточнения обилий молекул и изучения атмосферной динамики нужны новые наблюдения с более широким покрытием орбитальных фаз и лучшим отношением сигнал/шум.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях