Космический телескоп Джеймса Уэбба подтверждает: атмосферы гигантских планет сильно различаются

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) исследователи обнаружили, что атмосфера экзопланеты HD149026b, «горячего Юпитера», вращающегося вокруг звезды, сравнимой с Солнцем, сверхбогата более тяжелыми элементами (углеродом и кислородом) намного выше, чем предполагали ученые от планеты его массы. Кроме того, диагностическое отношение углерода к кислороду у HD149026b, также известного как «Смертриос», повышено по сравнению с нашей Солнечной системой.

Эти результаты, опубликованные 27 марта в статье «Высокое обогащение атмосферы металлами для планеты с массой Сатурна» в журнале Nature, являются важным первым шагом к получению аналогичных измерений для большой выборки экзопланет с целью поиска статистических тенденций, заявили исследователи. Они также дают представление о формировании планет.

«Похоже, что каждая гигантская планета отличается, и мы начинаем видеть эти различия благодаря JWST», — сказал Джонатан Лунин, профессор физических наук Дэвида С. Дункана в Колледже искусств и наук и соавтор исследования. «В этой статье мы определили, сколько молекул по отношению к первичному компоненту газа, то есть водороду, наиболее распространенному элементу во Вселенной. Это довольно много говорит нам о том, как образовалась эта планета».

Планеты-гиганты Солнечной системы демонстрируют почти идеальную корреляцию между общим составом, составом атмосферы и её массой. Внесолнечные планеты демонстрируют гораздо большее разнообразие общего состава, но ученые не знали, насколько разнообразен их атмосферный состав, до анализа HD149026b.

«Мы окончательно показали, что состав атмосферы гигантских внесолнечных планет не следует той же тенденции, которая столь очевидна для планет Солнечной системы», — сказал сказал Джейкоб Бин, профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета и ведущий автор статьи. «Гигантские внесолнечные планеты демонстрируют большое разнообразие атмосферных составов в дополнение к их широкому разнообразию общих составов».

Лунин сказал, что Смертриос сверхобогащен по сравнению с его массой. «Это масса Сатурна, но его атмосфера содержит в 27 раз больше тяжелых элементов по сравнению с водородом и гелием, которые мы находим на Сатурне».

Лунин сказал, что это соотношение «металличности» (хотя оно включает в себя множество элементов, не являющихся металлами), полезно для сравнения планеты с ее звездой или с другими планетами в ее системе. Смертриос — единственная планета, известная в этой планетной системе.

По словам Лунина, еще одним ключевым измерением является отношение углерода к кислороду в атмосфере планеты, которое раскрывает «рецепт» исходных твердых тел в планетарной системе. Для Смертриоса это около 0,84 — выше, чем в Солнечной системе. У Солнца на каждые два атома кислорода приходится чуть больше одного углерода (0,55).

«Вместе эти наблюдения рисуют картину формирующегося планеты диска с обильными твердыми частицами, богатыми углеродом», — сказал Лунин. «HD149026b приобрел большое количество этого материала по мере образования».

Изобилие углерода может показаться благоприятным для жизни, но высокое соотношение углерода и кислорода на самом деле означает меньшее количество воды на планете или в планетарной системе — проблема для той жизни, какой мы ее знаем.

«Смертриос — интересный первый случай состава атмосферы для этого исследования», — сказал Лунин, у которого есть планы по наблюдению еще пяти гигантских экзопланет в следующем году с использованием JWST. Требуется еще много наблюдений, прежде чем астрономы смогут обнаружить какие-либо закономерности среди планет-гигантов или в системах с несколькими планетами-гигантами или планетами земной группы в том композиционном разнообразии, которое астрономы начинают документировать.

«Происхождение этого разнообразия — фундаментальная загадка в нашем понимании формирования планет», — сказал Бин. «Мы надеемся, что дальнейшие атмосферные наблюдения внесолнечных планет с помощью JWST позволят лучше количественно оценить это разнообразие и дать ограничения на более сложные тенденции, которые могут существовать».