|
Химические секреты экзопланет
|
|
|
|
С тех пор как в 1995 году была открыта первая планета, вращающаяся вокруг звезды, отличной от Солнца, мы поняли, что планеты и планетные системы более разнообразны, чем мы могли себе представить. Такие далекие миры — экзопланеты — дают нам возможность изучить, как планеты ведут себя в разных ситуациях. И изучение их атмосферы является важной частью головоломки. Космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА (JWST) — самый большой телескоп в космосе. Запущенный в Рождество 2021 года, он является идеальным инструментом для исследования этих миров. Теперь мы с коллегами впервые использовали телескоп, чтобы раскрыть химический состав экзопланеты. И данные, выпущенные в виде препринта (то есть, они еще не опубликованы в рецензируемом журнале), предлагают некоторые неожиданные результаты.
|
|
|
|
Многие экзопланеты находятся слишком близко к своим родительским звездам, чтобы даже этот мощный телескоп мог их различить. Но мы можем использовать трюк, наблюдая, как планета проходит перед своей звездой. Во время транзита планета блокирует небольшую часть звездного света, и еще меньшая часть звездного света фильтруется через внешние слои атмосферы планеты. Газы в атмосфере поглощают часть света, оставляя отпечатки пальцев на звездном свете в виде уменьшения яркости определенных цветов или длин волн. JWST особенно подходит для изучения атмосферы экзопланет, потому что это инфракрасный телескоп. Большинство газов, находящихся в атмосфере, таких как водяной пар и углекислый газ, поглощают инфракрасный, а не видимый свет.
|
|
|
Я являюсь частью международной группы исследователей экзопланет, которые использовали JSTW для изучения планеты размером примерно с Юпитер под названием WASP-39b. Однако, в отличие от Юпитера, этому миру требуется всего несколько дней, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды, поэтому он готовится, достигая температуры, превышающей 827°C. Это дает нам прекрасную возможность изучить, как планетарная атмосфера ведет себя в экстремальных температурных условиях. Мы использовали JWST, чтобы восстановить наиболее полный спектр этой очаровательной планеты. По сути, наша работа представляет собой первую химическую инвентаризацию атмосферы планеты.
|
|
|
|
Мы уже знали, что большая часть атмосферы этой большой планеты должна была состоять из смеси водорода и гелия — самых легких и самых распространенных газов во Вселенной. А телескоп Хаббл ранее обнаруживал там водяной пар, натрий и калий. Теперь мы смогли подтвердить наше обнаружение и произвести измерение количества водяного пара. Данные также предполагают наличие других газов, включая двуокись углерода, угарный газ и неожиданно двуокись серы. Имея измерения того, сколько каждого из этих газов присутствует в атмосфере, мы можем оценить относительное количество элементов, из которых состоят эти газы, — водорода, кислорода, углерода и серы. Планеты формируются в диске из пыли и газа вокруг молодой звезды, и мы ожидаем, что разные количества этих элементов будут доступны молодой планете на разных расстояниях от звезды.
|
|
|
|
WASP-39b, по-видимому, имеет относительно низкое количество углерода по сравнению с кислородом, что указывает на то, что он, вероятно, сформировался на большем расстоянии от звезды, где он мог легко поглощать водяной лед с диска (увеличивая содержание кислорода), по сравнению с его нынешним состоянием, очень близким орбита. Если эта планета мигрировала, это могло бы помочь нам в развитии наших теорий о формировании планет и поддержало бы идею о том, что планеты-гиганты в нашей Солнечной системе также довольно рано двигались и тряслись.
|
|
|
|
Количество серы, которое мы обнаружили по отношению к кислороду, довольно велико для WASP-39b. Мы ожидаем, что сера в молодой планетной системе будет больше сконцентрирована в кусках камня и щебня, чем в виде атмосферного газа. Таким образом, это указывает на то, что WASP-39b мог подвергнуться необычному количеству столкновений с серосодержащими кусками породы. Часть этой серы будет выпущена в виде газа. В атмосфере планеты разные химические вещества реагируют друг с другом с разной скоростью в зависимости от того, насколько она горячая. Обычно они приходят в равновесное состояние, при этом общее количество каждого газа остается стабильным, поскольку реакции уравновешивают друг друга. Нам удалось предсказать, какие газы мы увидим в атмосфере WASP-39b для ряда начальных точек. Но никто из них не придумал двуокись серы, вместо этого ожидая, что вся сера будет заперта в другом газе, сероводороде.
|
|
|
|
Недостающим элементом химической мозаики был процесс, называемый фотохимией. Это когда скорость определенных химических реакций определяется энергией фотонов — пакетов света, исходящих от звезды, а не температурой атмосферы. Поскольку WASP-39b очень горячая, а реакции обычно ускоряются при более высоких температурах, мы не ожидали, что фотохимия будет настолько важна, как оказалось. Данные свидетельствуют о том, что водяной пар в атмосфере расщепляется светом на кислород и водород. Затем эти продукты будут реагировать с газообразным сероводородом, в конечном итоге удаляя водород и заменяя его кислородом с образованием диоксида серы.
|
|
|
|
Фотохимия еще более важна на более холодных планетах, которые могут быть обитаемыми — озоновый слой на нашей планете формируется в результате фотохимического процесса. JWST будет наблюдать за скалистыми мирами в системе Trappist-1 в течение первого года ее работы. Некоторые из этих измерений уже были сделаны — и все эти планеты имеют температуру, более близкую к земной. Некоторые из них могут даже иметь подходящую температуру, чтобы иметь жидкую воду на поверхности и, возможно, жизнь. Хорошее понимание того, как фотохимия влияет на состав атмосферы, будет иметь решающее значение для интерпретации наблюдений телескопа Уэбба системы Trappist-1. Это особенно важно, поскольку явный химический дисбаланс в атмосфере может намекать на присутствие жизни, поэтому нам нужно знать о других возможных объяснениях этого. Инвентаризация химических веществ WASP-39b показала нам, насколько мощным является инструмент JWST. Мы находимся в начале очень захватывающей эры в науке об экзопланетах, так что следите за обновлениями.
|
|
|
|
Источник
|
