JWST обнаружил экзопланету, непохожую ни на одну другую. Атмосфера этого уникального мира почти полностью состоит из водяного пара. Астрономы выдвигали теории об этих типах планет, но это первое наблюдательное подтверждение.
Уникальная планета — GJ 9827 d. Она примерно в два раза больше Земли и в три раза массивнее и вращается вокруг звезды K-типа на расстоянии около 100 световых лет от нас. Космический телескоп Кеплер впервые обнаружил его во время расширения К2. В 2023 году астрономы изучили его с помощью космического телескопа Хаббл. Они обнаружили намеки на водяной пар и описали это как океанский мир.
«Это первый раз, когда мы видим нечто подобное».
Эшан Рауль, Университет Висконсина – Мэдисон
Однако результаты JWST показывают, что атмосфера почти полностью состоит из водяного пара.
Результаты представлены в новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal Letters под названием «JWST/NIRISS раскрывает богатую водой атмосферу «парового мира» GJ 9827 d». Ведущий автор — Кэролайн Пиоле-Гораеб из Института исследований экзопланет Тротье Университета Монреаля.
Астрономы задавались вопросом, могут ли существовать паровые планеты. Некоторые думали, что на них может существовать жизнь в более прохладных и верхних слоях атмосферы. Другие считают, что это крайне маловероятно. Но до сих пор не было никаких доказательств, которые могли бы продолжаться.
«Это первый раз, когда мы видим нечто подобное», — сказал Эшан Рауль, который анализировал данные JWST GJ 9827 d, будучи студентом Мичиганского университета. «Чтобы внести ясность, эта планета не гостеприимна, по крайней мере, для тех типов жизни, с которыми мы знакомы на Земле. Похоже, что планета состоит в основном из горячего водяного пара, поэтому мы называем ее «паровым миром».
Однако каждая экзопланета нас чему-то учит. GJ 9827 d и его уникальная атмосфера помогут ученым лучше понять экзопланеты в целом.
«Если они реальны, это действительно заставляет задуматься, что еще там может быть».
Эшан Рауль, Университет Висконсина – Мэдисон
Исследователи использовали трансмиссионную спектроскопию для обнаружения атмосферы экзопланеты. Когда планета проходит перед своей звездой, атмосфера поглощает определенные длины волн света в спектре звездного света. Различные химические вещества поглощают волны разной длины и обнаруживают их присутствие.
Наблюдения показывают, что атмосфера GJ 9827 d состоит более чем на 31% из водяного пара по объему и имеет очень высокое обогащение металлами. Наблюдения также показывают, что ни водород, ни гелий не выходят наружу.
Атмосфера экзопланеты может быть странной, но в остальном сама планета обычная. Это субНептун, планета больше Земли, но меньше Нептуна. Субнептуны — наиболее распространенный тип экзопланет, обнаруженных нами в Млечном Пути.
Это открытие касается не только субнептунов и паровых миров. Речь идет об одной из ключевых проблем атмосфер экзопланет: вырождении металличности облаков.
Когда астрономы используют трансмиссионную спектроскопию для изучения и характеристики атмосферы экзопланеты, высокая металличность и облака могут давать тот же сигнал. Высокая металличность может давать меньшие спектральные характеристики, а облака также могут приглушать и сглаживать спектральные особенности. Облака также могут маскировать присутствие молекулярных поглотителей под слоем облаков. В результате, когда ученые видят относительно плоский спектр или приглушенные детали, они изо всех сил пытаются определить, видят ли они богатую металлами атмосферу с небольшими деталями или атмосферу с низким содержанием металлов, частично скрытую облаками.
Это исследование позволило выйти из тупика между облаками и металличностью.
Пиоле-Гораеб и ее соавторы объединили предыдущие наблюдения GJ 9827 d с помощью космического телескопа Хаббл с наблюдениями JWST. JWST использовал свои NIRISS (сканер ближнего инфракрасного диапазона и безщелевой спектрограф) и SOSS (безщелевая спектроскопия одного объекта) для анализа атмосферы экзопланеты во время двух транзитов. Это обеспечило достаточный охват длин волн и точность, чтобы преодолеть вырождение металличности облаков. Это первое убедительное наблюдение атмосферы с высоким содержанием металлов и воды.
«Это решающий шаг на пути к обнаружению атмосфер на обитаемых экзопланетах в ближайшие годы».
Райан Макдональд, астрофизик, Университет Висконсина
Почти все охарактеризованные атмосферы экзопланет состоят в основном из более легких элементов — водорода и гелия. Эти атмосферы подобны атмосферам Юпитера и Сатурна в нашей Солнечной системе. Они не имеют ничего общего с Землей и ее благоприятной для жизни атмосферой.
«GJ 9827 d — первая планета, на которой мы обнаружили атмосферу, богатую тяжелыми молекулами, как на планетах земной группы Солнечной системы», — сказал Пиоле-Горайеб. «Это огромный шаг».
Хотя GJ 9827 d непригоден для жизни с точки зрения нашего понимания жизни, другие экзопланеты с аналогичной металличностью являются желательными целями в поисках жизни. Теперь, когда астрономы преодолели вырождение металличности облаков, это изменило наше понимание этих планет и способность ученых различать их. И все это благодаря JWST и его наблюдательному мастерству.
Райан Макдональд — соавтор нового исследования, астрофизик УМ и научный сотрудник НАСА Сагана. «Даже благодаря ранним наблюдениям JWST в 2022 году исследователи открыли новую информацию об атмосферах далеких газовых гигантов», — сказал Макдональд, имея в виду спектроскопические характеристики атмосфер экзопланет, полученные JWST.
Но эти атмосферы в основном состояли из легких газов, а не из тяжелых металлов. Эти наблюдения ведут нас глубже в атмосферу субнептуна. И хотя они являются наиболее распространенным типом экзопланет в нашей галактике, в нашей Солнечной системе их нет.
«Теперь мы, наконец, приближаемся к пониманию того, из чего на самом деле состоят эти загадочные миры размером от Земли до Нептуна, для которых у нас нет примера в нашей солнечной системе», — сказал Макдональд. «Это решающий шаг на пути к обнаружению атмосфер на обитаемых экзопланетах в ближайшие годы».
Атмосферный пар не вырвался за пределы наблюдений JWST. JWST производит огромное количество данных, и чтобы разобраться в них, астрономы используют инструменты моделирования, основанные на алгоритмах выборки и методах машинного обучения. Обычно они используют несколько различных моделей и работают со всеми результатами, чтобы прийти к наиболее вероятной интерпретации данных.
Процесс определения атмосферы по данным называется восстановлением атмосферы. В документе 2023 года был представлен каталог из 50 различных кодов поиска атмосферы, используемых учеными по экзопланетам. Ведущим автором этой статьи является никто иной, как Райан Макдональд, соавтор нового исследования. Макдональд написал программу, которая анализировала и извлекала атмосферу GJ 9827 d, а соавтор Рауль использовал эту программу.
Рауль создал миллионы моделей атмосфер, которые соответствовали наблюдениям JWST, прежде чем остановился на модели парового мира. В каком-то смысле Рауль был первым человеком, увидевшим доказательства существования паровых миров.
«Это был очень сюрреалистический момент», — сказал Рауль, который сейчас работает над докторской диссертацией в Университете Висконсин-Мэдисон. «Мы искали именно водные миры, поскольку предполагалось, что они могут существовать».
«Если они реальны, это действительно заставляет задуматься, что еще там может быть».
