Телескоп Webb виявив унікальну атмосферу на екзопланеті TOI-421b

Суб-нептуни — це поширений тип екзопланет, які не мають аналогів у Сонячній системі. Ці небесні тіла значно менші за газові гіганти та зазвичай холодніші за гарячі юпітери, що робило їх надзвичайно складними для спостереження до запуску космічного телескопа James Webb. Більшість суб-нептунів мають щільний покрив із хмар та імли, що унеможливлювало визначення складу їхньої атмосфери. Проте нещодавно астрономи за допомогою телескопа Webb отримали спектр пропускання суб-нептуна TOI-421b та виявили хімічні особливості його атмосфери.

TOI-421 — це зоря сонячного типу, розташована на відстані приблизно 245 світлових років у сузір'ї Зайця. Відома також як BD-14 1137, ця зоря має вік близько 10 мільярдів років і містить щонайменше дві масивні екзопланети.

Внутрішня планета, TOI-421b, є суб-нептуном із радіусом 2,65 радіуса Землі та має високу рівноважну температуру — 647 градусів Цельсія.

«До запуску Webb науковці мали дуже мало інформації про суб-нептуни», — зазначив астроном Браян Девенпорт з Університету Меріленду та його колеги. «Хоча вони в кілька разів більші за Землю, ці планети все ще значно менші за газові гіганти і зазвичай холодніші за гарячі юпітери, що робить їх набагато складнішими для спостереження, ніж їхні газово-гігантські аналоги».

Ключовим відкриттям до запуску Webb було те, що більшість атмосфер суб-нептунів мали пласкі або безособливі спектри пропускання. Це означає, що коли науковці спостерігали за спектром планети під час її проходження перед материнською зорею, замість спектральних особливостей — хімічних відбитків, які б розкрили склад атмосфери — вони бачили лише пласку лінію спектра.

«Чому ми спостерігали саме за цією планетою, TOI-421b? Тому що ми припускали, що вона може не мати імли», — пояснила астроном Еліза Кемптон з Університету Меріленду. «Причина в тому, що попередні дані свідчили про те, що планети з певним температурним діапазоном можуть бути менш оповиті імлою чи хмарами, ніж інші».

Цей температурний поріг становить приблизно 577 градусів Цельсія. Нижче цієї температури, як припускали науковці, відбувається складний набір фотохімічних реакцій між сонячним світлом і метаном, що спричиняє утворення імли. Проте гарячіші планети не повинні мати метану, а отже, ймовірно, не матимуть імли.

Температура TOI-421b становить близько 727 градусів Цельсія, що значно перевищує передбачуваний поріг. Без імли чи хмар астрономи очікували побачити чисту атмосферу — і саме це вони й виявили.

«Ми побачили спектральні особливості, які ми приписуємо різним газам, і це дозволило нам визначити склад атмосфери», — сказав Девенпорт. «Тоді як у багатьох інших суб-нептунів, які спостерігалися раніше, ми знаємо, що їхні атмосфери з чогось складаються, але вони приховані імлою».

Дослідники виявили в атмосфері TOI-421b водяну пару, а також можливі ознаки чадного газу та діоксиду сірки. Водночас вони не виявили таких молекул, як метан і вуглекислий газ. З отриманих даних вони також змогли зробити висновок про наявність великої кількості водню в атмосфері планети.

Легка воднева атмосфера стала великою несподіванкою для науковців. «Ми нещодавно звикли до думки, що перші кілька суб-нептунів, спостережених телескопом Webb, мали атмосфери з важких молекул, тож це стало нашим очікуванням, а потім ми виявили протилежне», — зазначила докторка Кемптон.

Це свідчить про те, що TOI-421b могла сформуватися та еволюціонувати інакше, ніж холодніші суб-нептуни, спостережені раніше. Атмосфера, в якій переважає водень, також цікава тим, що вона імітує склад материнської зорі TOI-421b. «Якби ви просто взяли той самий газ, з якого утворилася материнська зоря, помістили його на вершину атмосфери планети та охолодили до значно нижчої температури цієї планети, ви б отримали таку саму комбінацію газів», — пояснюють науковці.

Цей процес більше нагадує формування газових гігантів у нашій Сонячній системі і відрізняється від інших суб-нептунів, які спостерігалися за допомогою Webb дотепер. Результати дослідження були опубліковані цього тижня в журналі Astrophysical Journal Letters.