Атмосфера раскаленного субнептуна оказалась прозрачной, как стекло

С помощью космической обсерватории «Джеймс Уэбб» астрономы впервые «заглянули» внутрь атмосферы горячего субнептуна TOI-421 b, расположенного на расстоянии около 244 световых лет от Земли. Это важное событие: большинство атмосфер таких миров окутаны дымкой, скрывающей спектральные линии и затрудняющей наблюдения.

Планеты размером между Землей и Нептуном — субнептуны — одни из самых распространенных в Галактике. В Солнечной системе таких миров нет, из-за чего астрономы, изучающие экзопланеты, уделяют им много внимания. Правда, рассматривать их трудно: аэрозоли в атмосферах таких планет маскируют следы химических веществ.

Большинство изученных субнептунов, таких как GJ 1214b с ее плотной дымкой или TOI-270 d с высокой металличностью (металлами астрономы называют все элементы тяжелее гелия), вращаются вокруг холодных звезд. Их равновесные (то есть без учета парникового эффекта) температуры варьируются от 7 °C (K2-18 b) до 347 °C (GJ 9827d), хотя субнептуны с дымкой обычно попадают в диапазон 7–527 °C.

Например, экзопланета GJ 9827d упоминается в других исследованиях как богатая металлами, а на K2-18 b недавно нашли диметилсульфид — молекулу, связанную с жизнью на Земле, но ее происхождение на других планетах остается под вопросом, как ранее рассказывал Naked Science.

TOI-421 b сильно отличается от «собратьев»: температура поверхности этого мира достигает 647 °C, а полный оборот вокруг солнцеподобной звезды она совершает за 5,2 суток. Это самый горячий субнептун, изученный «Уэббом» на данный момент, а его атмосфера кристально прозрачна. 

Впервые детально «рассмотреть» ее удалось с помощью инструментов NIRISS и NIRSpec, установленных на борту «Уэбба»: полученный спектр в диапазоне 0,83–5 микрометра позволил подтвердить отсутствие аэрозольной дымки, характерной для субнептунов, а благодаря прозрачной, как стекло, атмосфере удалось точно измерить содержание водяного пара (раньше сделать это мешали аэрозоли). 

Таким образом астрономы заключили, что атмосфера субнептуна состоит в основном из водорода и гелия с низкой молекулярной массой — почти как у Солнца. При этом следы метана (CH₄) и диоксида углерода (CO₂) ученые не обнаружили, а слабые признаки оксида серы (SO₂) и монооксида углерода (CO) выявленные NIRSpec, требуют подтверждения из-за шумных данных (NIRISS при этом дала четкие результаты).

Расчеты показали, что у TOI-421 b твердое каменно-железное ядро, окруженное тонкой оболочкой из водорода, гелия и небольшого количества воды. Это указывает на первичную атмосферу, сформированную вместе с планетой и сохранившуюся, несмотря на интенсивное звездное излучение.

Результаты научной работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, поддерживают существующие теории формирования субнептунов, включая модель «долины радиусов» — разрыва в размерах между скалистыми суперземлями и газовыми субнептунами. Эта модель объясняет, почему некоторые миры теряют водородные оболочки, становясь суперземлями, тогда как TOI-421 b сохраняет свою. 

Ученые также предположили, что звездная среда играет ключевую роль в формировании и эволюции подобных планет. Дальнейшие наблюдения с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» помогут раскрыть новые детали происхождения субнептуна TOI-421 b и похожих на него миров.