Джеймс Уэбб ищет атмосферу на каменистой экзопланете TRAPPIST-1 c

Несмотря на то, что многие звезды малой массы относительно холодные, в течение длительного периода своей жизни они испытывают сильные звездные ветры и интенсивное ультрафиолетовое излучение. Поэтому они потенциально могут повреждать и разрушать атмосферу своих планет.

Недавно исследовательская группа под руководством Института астрономии Макса Планка задалась вопросом, могла ли TRAPPIST-1 c, одна из семи каменистых планет в системе вокруг звезды TRAPPIST-1, избежать этой участи, сохранив значительную атмосферу. Гравитационное притяжение планеты к поверхности, которое на 10 процентов больше, чем у Земли, должно способствовать сохранению атмосферы. Как и у Венеры, значения диаметра и массы TRAPPIST-1 c соответствуют земным. Более того, излучение, которое она получает от своей центральной звезды, почти идентично излучению получаемое на Венере.

Используя Джеймс Уэбб, команда искала атмосферу для TRAPPIST-1c, но оказалось, что она сильно отличается от атмосферы Венеры. Анализ тепла, излучаемого планетой, показывает, что у нее могла быть только разреженная атмосфера с минимальным количеством углекислого газа. Однако это измерение также согласуется с бесплодной каменистой планетой без какой-либо значимой атмосферы.

TRAPPIST-1 c не похожа на Венеру

Задача определения характеристик атмосфер каменистых планет размером с Землю является сложной даже для космического телескопа Джеймса Уэбба. Поэтому команда объединила наблюдения "Уэбба" с моделями, чтобы найти наиболее вероятный диапазон свойств атмосферы, соответствующий данным.

Объем, давление и состав атмосферы определяют температуру планеты в зависимости от света, который она получает от своей звезды. И наоборот, температура определяет количество инфракрасного света, излучаемого планетой. Таким образом, инфракрасные измерения в сочетании с моделями дают представление об атмосфере и ее составе.

TRAPPIST-1, безусловно, остается лучшим кандидатом для изучения атмосфер каменистых планет земного типа, вращающихся вокруг красной карликовой звезды. На ней расположены семь каменистых планет земного размера, три из которых находятся в обитаемой зоне. Однако TRAPPIST-1 c не является одной из этих планет. Лаура Крайдберг, руководитель программы наблюдений JWST, соавтор и директор MPIA, сказала: "Мы можем определенно исключить наличие плотной атмосферы, похожей на атмосферу Венеры".

Вопреки ожиданиям астрономов, температура на TRAPPIST-1 c достигает "всего" 110 градусов Цельсия, что на 390 градусов ниже, чем на Венере. Инфракрасный свет, излучаемый экзопланетой, также не соответствует венерианской атмосфере, богатой углекислым газом, который вызывает сильный парниковый эффект. Данные "Уэбба" также указывают на давление на поверхности, более чем в десять раз превышающее земное.

Что если существует разреженная атмосфера?

Чтобы изучить возможность того, что TRAPPIST-1 c имеет очень тонкую газообразную оболочку, исследователи рассчитали статистическую вероятность ряда атмосферных параметров, чтобы попытаться получить те, которые вытекают из экспериментальных наблюдений. Атмосферная модель предсказала диапазон поверхностного давления и состав атмосферы с преобладанием кислорода и различными примесями углекислого газа.

На самом деле, ожидается, что горячие каменистые планеты, вращающиеся вокруг звезд малой массы, таких как TRAPPIST-1 c, имеют атмосферу, содержащую в основном углекислый газ и водяной пар, только в начале эволюции, в то время как со временем звездное излучение расщепляет воду на водород и кислород. И если высоколетучий водород постепенно улетучивается в открытый космос, то более тяжелые молекулы кислорода остаются, что приводит к созданию богатой кислородом атмосферы со следами углекислого газа.

Модель, отражающая эту гипотезу, согласуется с широким диапазоном смесей и поверхностным давлением в пределах от 1% до 100% от земного уровня моря. Этот результат дает надежду на то, что TRAPPIST-1 c и другие достаточно тяжелые каменистые планеты вокруг холодных маломассивных звезд могут поддерживать атмосферу в течение значительной части звездной жизни, поскольку звезда TRAPPIST-1 по крайней мере такая же старая, как Солнце.

Эти результаты, однако, должны быть проверены с помощью дополнительных данных. Наблюдения за тонкими атмосферами каменистых планет заставляют "Уэбб" работать на пределе своих возможностей, поскольку измеренные сигналы слабы, а многие свойства до сих пор неизвестны, что приводит к большим неопределенностям.

Причина трудностей заключается в том, что TRAPPIST-1 c, помимо того, что она очень мала, подвержена приливной блокировке, что означает, что она постоянно обращена к своей центральной звезде одной и той же стороной. В результате образуются два разных полушария: одно всегда освещено днем, а другое погружено в вечную ночь. Планета вращается вокруг звезды таким образом, что день и год длятся около 2,42 земных суток.

В течение половины оборота TRAPPIST-1 c звезда полностью закрывает ее, делая невидимой для наших телескопов в течение получаса. Только незадолго до и после исчезновения планеты становится видна ее теплая, полностью освещенная дневная сторона. Именно этот сигнал и искала исследовательская группа, хотя наличие тонкой атмосферы было бы едва заметным.

Для того чтобы отличить простую каменистую планету от планеты с тонкой атмосферой, потребуются дальнейшие наблюдения "Уэбба". Другая возможность заключается в проведении подобных наблюдений с помощью Чрезвычайно большого телескопа (ELT), 39-метрового телескопа ESO, расположенного в пустыне Атакама, который должен быть введен в эксплуатацию к концу десятилетия. Благодаря своей чувствительности ELT может дать решающий ключ к подтверждению (или окончательному опровержению) наличия атмосферы вокруг TRAPPIST-1 c.