Астрономи откриха, че екзопланетата TOI-561 b притежава изненадващо гъста и силно отразяваща атмосфера, която охлажда разтопената ѝ повърхност и я предпазва от разрушителната мощ на нейната звезда.
Доскоро се смяташе, че съществуват места във Вселената, които са твърде екстремни, за да задържат каквато и да е атмосфера. Едно от тези места е TOI-561 b – скалиста свръхземя (екзопланета с маса, по-голяма от тази на Земята, но значително по-малка от тази на Уран и Нептун), покрита с океани от бълбукаща магма. Нови наблюдения с космическия телескоп James Webb (JWST) обаче преобърнаха представите на изследователите. Оказва се, че този адски свят е обвит в гъста, силно отразяваща атмосфера. Тя е изградена от облаци от изпарени силикатни минерали – същите съединения, които на Земята образуват кварца и пясъка.
Наблюденията на James WebbОткритието е дело на международен екип, ръководен от Лиза Данг, професор по физика и астрономия в University of Waterloo (UW). Изследователите са използвали мощния инструмент NIRSpec на JWST, за да наблюдават планетата в продължение на 37 часа без прекъсване. През този период те успяват да проследят почти четири пълни обиколки на TOI-561 b около нейната звезда-домакин. Изследването е публикувано в престижното научно издание The Astronomical Journal.
„Измерихме как яркостта и топлината на планетата се променят по време на нейната орбита“, обяснява проф. Данг. „Този метод, известен като анализ на фазовата крива, разкри нещо изумително: планетата отразява огромна част от светлината на своята звезда, а топлината се разпределя изненадващо равномерно по цялото космическо тяло, вместо да се натрупва само от дневната страна. Всичко това е неоспоримо доказателство за наличието на динамична атмосфера.“
Емисионен спектър, получен през май 2024 г. от NIRSpec (спектрограф за близката инфрачервена област) на JWST на NASA, показва яркостта при различни дължини на вълната в диапазона от 3 до 5 микрона за светлината, идваща от ултрагорещата екзопланета TOI-561 b. Сравняването на тези данни с теоретични модели подсказва, че планетата не е просто гола скала, а е заобиколена от атмосфера, богата на летливи вещества. Източник: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Data – Johanna Teske (Carnegie Science Earth and Planets Laboratory), Anjali Piette (University of Birmingham), Tim Lichtenberg (Groningen), Nicole Wallack (Carnegie Science Earth and Planets Laboratory)
Загадката на липсващата топлина
Предишни изследвания на TOI-561 b бяха поставили учените пред сериозна климатична загадка. Светлата страна на планетата, която поради гравитационното заключване винаги е обърната към звездата, се оказа значително по-хладна, отколкото би трябвало да бъде едно голо и тъмно скалисто тяло на такова близко разстояние от звездата.
Възможните сценарии за тази липсваща топлина бяха два: или мощни ветрове я пренасят към вечно тъмната нощна страна, или планетата изобщо не я абсорбира, отразявайки я обратно в открития космос. Благодарение на JWST екипът успя да изследва и нощната страна. Резултатите показаха, че тя не е достатъчно гореща, за да компенсира разликата.
Изводът е, че TOI-561 b действа като огромно космическо огледало. Тя отразява близо три четвърти (75%) от цялата звездна светлина, която я достига. Това е коефициент на отражение (албедо), който е напълно съпоставим с този на Венера – най-ярката планета в нашата Слънчева система.
Облаци от течен кварц като щит срещу звездната радиацияЗа да разберат какво прави планетата толкова блестяща, астрономите комбинираха събраните данни със сложни компютърни симулации на климата на ѝ. Моделите дадоха категоричен отговор: в свръхгорещата атмосфера на дневната страна се образуват екзотични облаци от силикатни минерали, включително силициев диоксид (SiO2) и магнезиев силикат (MgSiO3).
Тези минерални облаци функционират като гигантски щит. Като отразяват безмилостната звездна светлина, те охлаждат планетата. Именно това неочаквано охлаждане помага на TOI-561 b да задържи газовата си обвивка. Без този минерален „слънцезащитен крем“ мощните звездни ветрове отдавна щяха да са издухали атмосферата в открития космос. Учените предполагат, че тази плътна атмосфера постоянно се подхранва и допълва от газове, отделяни от гигантския океан от разтопена магма на повърхността на планетата.
Какво крие бъдещето?Въпреки огромния пробив, химическият състав на тази атмосфера все още остава мистерия. Пред научната общност стоят два основни сценарии. Първият е сценарий „голяма Венера“, при който атмосферата е съставена от изключително плътен слой въглероден диоксид. Вторият е сценарий „екстремен Йо“, при който газовата обвивка е богата на серен диоксид и е захранвана от глобален вулканизъм. Тъй като повърхността е покрита с течна скала, планетата на практика се държи като един огромен, непрекъснато изригващ вулкан. Дали TOI-561 b прилича повече на Венера или на вулканичния спътник Йо? Предстоящите наблюдения при по-големи дължини на вълната с JWST ще ни позволят да погледнем по-дълбоко в този свят. Това ще ни помогне да разберем как една толкова гореща планета е успяла да запази атмосферата си в продължение на милиарди години.
Любопитен детайл е, че проектът започва като стажантско проучване на първия автор на статията – Самюъл Буше, под ръководството на Лиза Данг в Trottier Institute. Днес, благодарение на прецизната работа на екипа и възможностите на JWST, този студентски проект се превърна в едно от най-вълнуващите открития в съвременната астрофизика.