На нынешнем уровне знаний многие открытия экзопланет застают нас врасплох. Единственная химия атмосферы, которую мы можем ясно увидеть, — это земная, и у нас до сих пор остается много вопросов без ответа о том, как развивались наша планета и ее атмосфера. Поскольку Земля является нашим основным ориентиром, многие вещи об атмосферах экзопланет кажутся загадочными по сравнению с ними и вызывают волнение и более глубокие вопросы.
Именно это произошло с GJ-3470 b, экзопланетой, похожей на Нептун, находящейся примерно в 96 световых годах от нас.
Астрономы обнаружили планету во время кампании по поиску планет с высокой точностью радиальной скорости (HARPS) в 2012 году. Кампания заключалась в поиске короткопериодических планет, вращающихся вокруг М-карликов (красных карликов). Когда его открыли, его назвали горячим Ураном. Не нужно быть астрофизиком, чтобы понять, почему этот термин вышел из моды, и теперь ее называют планетой субнептуна.
GJ-3470 b примерно в 14 раз массивнее Земли, совершает один оборот за 3,3 дня и находится на расстоянии около 0,0355 а.е. от своей звезды.
Новое исследование, представленное на 244-м собрании Американского астрономического общества и вскоре опубликованное в Astrophysical Journal Letters, показывает, что атмосфера планеты содержит больше диоксида серы, чем ожидалось. Ведущий исследователь — Томас Битти, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне.
«Мы не думали, что увидим диоксид серы на таких маленьких планетах, и интересно видеть эту новую молекулу в месте, которого мы не ожидали, поскольку это дает нам новый способ выяснить, как образовались эти планеты».
Томас Битти, Университет Висконсина, Мэдисон
Атмосфера GJ-3470 b хорошо характерна среди экзопланет. JWST направил свои мощные спектроскопические глаза на планету и раскрыл больше деталей, чем когда-либо. Спектроскопия исследует свет звезды, проходящий через атмосферу планеты, выявляя его химические составляющие.
Субнептуны, такие как GJ-3470 b, являются наиболее распространенным типом обнаруженных экзопланет. В двух из них, TOI-270d и K2-18b, астрономы обнаружили углерод и кислород, что является важным научным результатом. Но в атмосфере GJ-3470 b астрономы также обнаружили воду, метан и, что более важно, диоксид серы (SO2).
«Дело в том, что все смотрят на эти планеты и часто видят плоские линии», — сказал Битти. «Но когда мы посмотрели на эту планету, мы действительно не увидели ровной линии».
Это самая холодная и легкая экзопланета с диоксидом серы в атмосфере. Это открытие важно для понимания различных способов формирования и развития планет. Диоксид серы, вероятно, образуется в результате химических реакций в атмосфере, поскольку излучение близлежащей звезды разрывает молекулы сероводорода на части, высвобождая серу, которая затем связывается с кислородом, образуя диоксид серы.
Количество диоксида серы также удивляет. SO2 примерно в миллион раз больше, чем ожидалось.
«Мы не думали, что увидим диоксид серы на таких маленьких планетах, и интересно видеть эту новую молекулу в месте, которого мы не ожидали, поскольку это дает нам новый способ выяснить, как образовались эти планеты», — сказал он. Битти, который работал ученым-инструментальщиком на космическом телескопе Джеймса Уэбба, прежде чем поступить на факультет Университета Вашингтона в Мэдисоне. «И малые планеты особенно интересны, потому что их состав действительно зависит от того, как происходил процесс формирования планет».
Астрономы обнаружили диоксид серы на WASP-39b, горячем Юпитере. Но он в 100 раз массивнее и в два раза горячее, чем GJ-3470 b. На обеих планетах он формируется одинаково.
«На обеих планетах SO2 образуется в результате фотохимии на дневных сторонах планет: свет звезды попадает в верхнюю часть атмосферы и расщепляет молекулы, содержащие серу, а затем обломки атомов серы в результате столкновений фотонов и молекул рекомбинируются с другими молекулами. в атмосфере и превращается в SO2», — рассказал Битти Universe Today.
Битти и его коллеги попытались определить пути создания SO2 посредством рекомбинации. Но прохлада планеты завела в тупик.
«Определение правильных путей рекомбинации было важной частью понимания SO2 на WASP-39b, но они фактически предсказали нулевое содержание SO2 на такой крутой планете, как GJ 3470b», — сказал Битти Universe Today. Оказывается, металличность атмосферы позволяет этому случиться.
«В рамках этих наблюдений мы определили, что высокая металличность атмосферы GJ 3470b (она примерно в 100 раз более богата металлами, чем WASP-39b) может стимулировать реакции с образованием SO2 при гораздо более низких температурах», — объяснил Битти в электронном письме. «Иными словами, мы поняли, что вся окружающая вода и углекислый газ в атмосфере GJ-3470 b делают процесс рекомбинации с образованием диоксида серы гораздо более эффективным, чем на более крупных гигантских экзопланетах, таких как WASP-39b».
Астрономы не могут собрать воедино историю формирования планеты без полного описания ее атмосферных составляющих. Имея полный список, они могут начать рассказывать историю его формирования. «Обнаружение диоксида серы на такой маленькой планете, как GJ 3470 b, дает нам еще один важный элемент в списке ингредиентов, образующих планету», — сказал Битти.
Но в истории планеты есть нечто большее, чем SO2 и другие атмосферные химические вещества. Она движется по полярной орбите, что является убедительным признаком того, что планета была вытеснена со своей первоначальной орбиты. Она также очень близка к своей звезде и, вероятно, потеряла большую часть своей атмосферы, унесенная в космос мощным звездным ветром звезды. Возможно, он потерял 40% своей атмосферы.
«Эта история миграции, которая привела к этой полярной орбите и потере всей этой массы — это вещи, которые мы обычно не знаем о других объектах экзопланеты, которые мы рассматриваем», — сказал Битти. «Это важные шаги в рецепте создания этой конкретной планеты, и они могут помочь нам понять, как создаются подобные планеты».
