Художественное изображение TRAPPIST-1 b незадолго до того, как она пройдет за холодным красным карликом TRAPPIST-1. Такие звезды известны своей активностью с крупными звездными пятнами и извержениями. TRAPPIST-1 b может испытывать интенсивный вулканизм. Фото: Томас Мюллер (HdA/MPIA)
TRAPPIST-1 b — одна из семи скалистых планет, вращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1, расположенной на расстоянии 40 световых лет от нас. Планетарная система уникальна, поскольку позволяет астрономам изучать семь планет земного типа с относительно близкого расстояния, причем три из них находятся в так называемой обитаемой зоне. Это область планетной системы, где на поверхности планеты может быть жидкая вода. На сегодняшний день 10 исследовательских программ нацелены на эту систему с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) в течение 290 часов.
Нынешнее исследование, в котором активно участвуют исследователи из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, было проведено Эльзой Дюкро из Комиссариата по атомной энергии (CEA) в Париже, Франция.
В этом исследовании используются измерения теплового инфракрасного излучения (по сути, теплового излучения) планеты TRAPPIST-1 b с помощью MIRI (Mid-Infrared Imager) на JWST и оно было опубликовано в журнале Nature Astronomy. В него включены результаты прошлого года, на которых основывались предыдущие выводы, описывающие TRAPPIST-1 b как темную каменистую планету без атмосферы.
Кора TRAPPIST-1 b может быть геологически активной.
«Однако идея каменистой планеты с сильно выветрившейся поверхностью без атмосферы несовместима с текущими измерениями», — говорит астроном MPIA Йерун Бауман, который был одним из ответственных за программу наблюдений.
«Поэтому мы думаем, что планета покрыта относительно неизмененным материалом». Обычно поверхность подвергается воздействию излучения центральной звезды и ударов метеоритов. Однако результаты показывают, что камню на поверхности не более 1000 лет, что значительно меньше, чем самой планете, возраст которой, по оценкам, составляет несколько миллиардов лет.
Это может указывать на то, что кора планеты подвержена резким изменениям, которые можно объяснить экстремальным вулканизмом или тектоникой плит. Даже если такой сценарий в настоящее время все еще является гипотетическим, он, тем не менее, правдоподобен. Планета достаточно велика, поэтому ее внутренняя часть могла сохранить остаточное тепло от ее образования, как и в случае с Землей.
Приливное воздействие центральной звезды и других планет также может деформировать TRAPPIST-1 b так, что возникающее в результате внутреннего трения генерирует тепло — аналогично тому, что мы видим на спутнике Юпитера Ио. Кроме того, возможен индуктивный нагрев магнитным полем ближайшей звезды.
Может ли TRAPPIST-1 b вообще иметь атмосферу?
«Эти данные также позволяют найти совершенно другое решение», — говорит Томас Хеннинг, почетный директор MPIA. Он был одним из главных разработчиков инструмента MIRI.
«Вопреки предыдущим идеям, существуют условия, при которых на планете может быть плотная атмосфера, богатая углекислым газом (CO2)», — добавляет он. Ключевую роль в этом сценарии играет дымка от углеводородных соединений, то есть смог, в верхних слоях атмосферы.
Две наблюдательные программы, которые дополняют друг друга в текущем исследовании, были разработаны для измерения яркости TRAPPIST-1 b на разных длинах волн в тепловом инфракрасном диапазоне (12,8 и 15 микрометров). Первое наблюдение было чувствительным к поглощению инфракрасного излучения планеты слоем CO2.
Однако никакого затемнения измерено не было, что привело исследователей к выводу, что на планете нет атмосферы.
Исследовательская группа выполнила модельные расчеты, которые показывают, что дымка может обратить вспять температурную стратификацию атмосферы, богатой CO2. Обычно нижние, приземные слои теплее верхних из-за более высокого давления. По мере того, как дымка поглощает звездный свет и нагревается, она вместо этого нагревает верхние слои атмосферы, чему способствует парниковый эффект.
В результате углекислый газ там сам излучает инфракрасное излучение.
Мы видим, что нечто подобное происходит на спутнике Сатурна Титане. Слой дымки, скорее всего, образуется там под воздействием солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения богатых углеродом газов в атмосфере. Похожий процесс может происходить на TRAPPIST-1 b из-за того, что его звезда излучает значительное количество УФ-излучения.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Все сложно
Даже если данные соответствуют этому сценарию, астрономы все равно считают его менее вероятным. С одной стороны, из атмосферы, богатой CO2, труднее, хотя и возможно, производить углеводородные соединения, образующие дымку.
Однако атмосфера Титана состоит в основном из метана. С другой стороны, остается проблема: активные красные карлики, к которым относится TRAPPIST-1, производят радиацию и ветры, которые могут легко разрушить атмосферы близлежащих планет в течение миллиардов лет.
TRAPPIST-1 b — яркий пример того, насколько сложно в настоящее время обнаружить и определить атмосферы каменистых планет — даже для JWST. Они тонкие по сравнению с газовыми планетами и производят лишь слабые измеримые сигналы. Два наблюдения по изучению TRAPPIST-1 b, которые предоставили значения яркости на двух длинах волн, длились почти 48 часов, чего было недостаточно, чтобы с несомненностью определить, есть ли у планеты атмосфера.
Затмения и покрытия как инструмент
В наблюдениях использовался небольшой наклон плоскости планеты к нашему лучу зрения на TRAPPIST-1. Такая ориентация заставляет семь планет проходить перед звездой и слегка затемнять ее на каждом витке. Следовательно, это приводит к изучению природы и атмосферы планет несколькими способами.
Так называемая транзитная спектроскопия оказалась надежным методом. Это включает в себя измерение затемнения звезды ее планетой в зависимости от длины волны. Помимо покрытия непрозрачным планетарным телом, по которому астрономы определяют размер планеты, атмосферные газы поглощают звездный свет на определенных длинах волн.
Отсюда они могут сделать вывод, есть ли у планеты атмосфера и из чего она состоит. К сожалению, у этого метода есть недостатки, особенно для планетных систем типа TRAPPIST-1. Холодные звезды-красные карлики часто демонстрируют большие звездные пятна и сильные извержения, что существенно влияет на результаты измерений.
Астрономы в значительной степени обходят эту проблему, вместо этого наблюдая сторону экзопланеты, нагретую звездой, в тепловом инфракрасном свете, как в текущем исследовании с TRAPPIST-1 b. Яркую дневную сторону особенно легко увидеть непосредственно перед и после того, как планета скрывается за звездой.
Инфракрасное излучение, которое испускает планета, содержит информацию о ее поверхности и атмосфере. Однако такие наблюдения требуют больше времени, чем транзитная спектроскопия.
Учитывая потенциал этих так называемых измерений вторичного затмения, НАСА недавно одобрило обширную программу наблюдений для изучения атмосфер скалистых планет вокруг близлежащих звезд малой массы. Эта необычная программа «Скалистые миры» включает 500 часов наблюдений с помощью JWST.
Уверенность в отношении TRAPPIST-1 b
Исследовательская группа рассчитывает получить окончательное подтверждение, используя другой вариант наблюдения. Он записывает полную орбиту планеты вокруг звезды, включая все фазы освещения от темной ночной стороны при прохождении перед звездой до яркой дневной стороны незадолго до и после закрытия звездой.
Этот подход позволит команде создать так называемую фазовую кривую, показывающую изменение яркости планеты вдоль ее орбиты. В результате астрономы могут определить распределение температуры на поверхности планеты.
Команда уже провела это измерение с помощью TRAPPIST-1 b. Анализируя, как распределяется тепло на планете, они могут сделать вывод о наличии атмосферы. Это связано с тем, что атмосфера помогает переносить тепло с дневной стороны на ночную. Если температура резко меняется при переходе между двумя сторонами, это указывает на отсутствие атмосферы.
Информация от: Обществом Макса Планка
