Уэбб исключает плотную атмосферу углекислого газа для каменистой экзопланеты

Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба успешно измерил тепловое излучение экзопланеты TRAPPIST-1 c, вращающейся вокруг красного карлика в 40 световых годах от Земли. С дневной температурой около 225 градусов по Фаренгейту это самая холодная каменистая планета, когда-либо охарактеризованная с помощью этого метода.

К сожалению, для тех, кто надеется, что система TRAPPIST-1 является настоящим аналогом нашей, результаты немного разочаровывают. Хотя у TRAPPIST-1 c примерно такой же размер и массу, как у Венеры, и она получает такое же количество излучения от звезды, маловероятно, что у нее будет такая же плотная атмосфера из углекислого газа. Это указывает на то, что планета и, возможно, система в целом могли образоваться при очень небольшом количестве воды. Результат является последним в стремлении определить, сможет ли планетарная атмосфера выжить в агрессивной среде красного карлика.

Международная группа исследователей использовала космический телескоп Джеймса Уэбба для расчета количества тепловой энергии, исходящей от каменистой экзопланеты TRAPPIST-1 c. Результат предполагает, что атмосфера планеты — если она вообще существует — чрезвычайно тонкая.

С дневной температурой примерно 380 Кельвинов (около 225 градусов по Фаренгейту) TRAPPIST-1 c является самой холодной каменистой экзопланетой, когда-либо охарактеризованной на основе теплового излучения. Точность, необходимая для этих измерений, еще раз демонстрирует полезность Уэбба в характеристике скалистых экзопланет, аналогичных по размеру и температуре тем, что находятся в Солнечной системе.

Результат знаменует собой еще один шаг в определении того, могут ли планеты, вращающиеся вокруг маленьких красных карликов, таких как TRAPPIST-1 — наиболее распространенного типа звезд в галактике — поддерживать атмосферы, необходимые для поддержания жизни, какой мы ее знаем.

«Мы хотим знать, есть ли у каменистых планет атмосфера или нет», — сказал Себастьян Зиба, аспирант Института астрономии Макса Планка в Германии и первый автор результатов, опубликованных сегодня в журнале Nature. «В прошлом мы могли по-настоящему изучать только планеты с плотной, богатой водородом атмосферой. С Уэббом мы, наконец, можем начать поиск атмосфер, в которых преобладают кислород, азот и углекислый газ».

«TRAPPIST-1 c интересен тем, что это, по сути, двойник Венеры: он примерно такого же размера, как Венера, и получает такое же количество излучения от своей звезды, как Венера получает от Солнца», — объяснила соавтор Лаура Крейдберг, также из Института астрономии Макса Планка. «Мы думали, что у него может быть плотная атмосфера из углекислого газа, как у Венеры».

TRAPPIST-1 c — одна из семи каменистых планет, вращающихся вокруг ультрахолодного красного карлика (М-карлика) в 40 световых годах от Земли. Хотя планеты по размеру и массе схожи с внутренними каменистыми планетами в Солнечной системе, неясно, действительно ли у них похожая атмосфера. В течение первого миллиарда лет своей жизни карлики класса М излучают яркое рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, которое может легко лишить молодую планетарную атмосферу. Кроме того, могло или не могло быть достаточно воды, углекислого газа и других летучих веществ, чтобы создать существенную атмосферу, когда формировались планеты.

Чтобы ответить на эти вопросы, команда использовала MIRI (инструмент среднего инфракрасного диапазона Уэбба) для наблюдения за системой TRAPPIST-1 в четырех отдельных случаях, когда планета двигалась за звездой, явление, известное как вторичное затмение. Сравнивая яркость, когда планета находится за звездой (только свет звезды), с яркостью, когда планета находится рядом со звездой (свет от звезды и планеты вместе), команда смогла рассчитать количество среднего инфракрасного света с длинами волн 15 микрон, излучаемого дневной стороной планеты.

Этот метод аналогичен тому, который использовала другая исследовательская группа, чтобы определить, что TRAPPIST-1 b, самая внутренняя планета в системе, лишена какой-либо атмосферы.

Количество среднего инфракрасного света, излучаемого планетой, напрямую связано с ее температурой, на которую, в свою очередь, влияет атмосфера. Углекислый газ предпочтительно поглощает свет с длиной волны 15 микрон, из-за чего планета кажется более тусклой на этой длине волны. Но облака могут отражать свет, делая планету ярче и маскируя присутствие углекислого газа.

Кроме того, существенная атмосфера любого состава будет перераспределять тепло с дневной стороны на ночную, в результате чего дневная температура будет ниже, чем она была бы без атмосферы.

Хотя эти первоначальные измерения не дают окончательной информации о природе TRAPPIST-1 c, они помогают сузить вероятные возможности. «Наши результаты согласуются с тем, что планета представляет собой голую скалу без атмосферы, или планета с очень тонкой атмосферой CO2 (тоньше, чем на Земле или даже на Марсе) без облаков», — сказал Зиба. «Если бы на планете была толстая атмосфера из СО2, мы бы наблюдали очень мелкое вторичное затмение или вообще не наблюдали бы его».

Данные также показывают, что маловероятно, что планета является истинным аналогом Венеры с толстой атмосферой из СО2 и сернокислотными облаками.

Отсутствие толстой атмосферы предполагает, что планета могла образоваться с относительно небольшим количеством воды. Если более прохладные и более умеренные планеты TRAPPIST-1 образовались в аналогичных условиях, они тоже могли начинаться с небольшого количества воды и других компонентов, необходимых для того, чтобы сделать планету пригодной для жизни.

Чувствительность, необходимая для того, чтобы различать различные атмосферные сценарии на такой маленькой планете, которая находится так далеко, действительно поразительна. Уменьшение яркости, обнаруженное Уэббом во время вторичного затмения, составило всего 0,04 %: это эквивалентно тому, что вы смотрите на дисплей из 10 000 крошечных лампочек и замечаете, что погасли только четыре.

«Удивительно, что мы можем это измерить», — сказал Крейдберг. «В течение десятилетий были вопросы о том, могут ли скалистые планеты сохранять атмосферу. Способность Уэбба действительно приводит нас в режим, в котором мы можем начать сравнивать экзопланетные системы с нашей солнечной системой так, как никогда раньше».

Это исследование было проведено в рамках программы 2304 General Observers (GO) Уэбба, которая является одной из восьми программ первого года научной работы Уэбба, призванных помочь полностью охарактеризовать систему TRAPPIST-1. В следующем году исследователи проведут дополнительное исследование, чтобы наблюдать за полными орбитами TRAPPIST-1 b и TRAPPIST-1 c. Это позволит увидеть, как температура меняется от дневной к ночной сторонам двух планет, и даст дополнительные ответы на то, есть ли у них атмосферы или нет.