Ідея про те, що наша Сонячна система є репрезентативною для інших сонячних систем, не пережила епоху відкриття екзопланет. Кеплер і TESS показали нам, що наша система навіть не містить найпоширенішого типу планет: субнептунових. Ці планети становлять загадку для планетологів, і JWST допомагає розгадати цю таємницю. Субнептуни – це екзопланети з радіусами більшими, ніж у Землі, але меншими, ніж у Нептуна. Більшість субнептунів мають туманні атмосфери, і їх важко спостережити.
Однак можливості інфрачервоного спостереження JWST допомагають вченим, які досліджують екзопланети, зрозуміти ці всюдисущі світи. Походження цих планет загадкове, і розуміння того, чому їх так багато, є ключовим дослідженням в екзопланетній науці. Їх не тільки багато, але й астрономи виявили одну зірку, навколо якої обертаються шість з них.
Більшість субнептунів було виявлено на орбіті малих, холодних M-карликів, або червоних карликів. Однак один з них, TOI-421b, обертається навколо зірки G-типу, зірки, дуже схожої на Сонце. Температура планети є важливою в цьому дослідженні. Вона на кілька сотень градусів за Фаренгейтом вища за поріг хімічних реакцій, що створюють серпанок, яким відомі субнептуни, що робить її бажаною ціллю для JWST.
Нове дослідження, опубліковане в журналі The Astrophysical Journal Letters, представляє результати спостережень JWST. Воно має назву «TOI-421 b: Гарячий субнептун з атмосферою без помутніння та низькою середньою молекулярною масою». Провідним автором є Браян Девенпорт з кафедри астрономії Університету Меріленду. Співавтор Еліза Кемптон працює з тієї ж кафедри та є головним дослідником JWST.
«Я всю свою кар’єру чекав на Вебба, щоб ми могли змістовно охарактеризувати атмосфери цих менших планет», — сказав Кемптон. «Вивчаючи їхні атмосфери, ми отримуємо краще розуміння того, як формувалися та еволюціонували субнептуни, і частково це пояснює, чому їх немає в нашій Сонячній системі».
Вчені прагнуть зрозуміти, чому їх тут немає, адже відповідь пов’язана з тим, як вони формуються. Однією з загадкових речей щодо популяції екзопланет є «радіусний проміжок» або «радіусна долина». Існує відносна нестача планет розміром приблизно від 1,5 до 2,0 земних радіусів, і планети, як правило, є або меншими суперземлями, або більшими субнептунами. Планети можуть спочатку утворюватися в проміжку або западині, але можуть зазнати втрати атмосфери через зоряне випромінювання та стати суперземлями.
Субнептуни складніше спостерігати порівняно з іншими типами екзопланет. До JWST астрономи мали мало інформації про них. Спостереження показали, що вони мають відносно плоскі та безликі спектри пропускання. Це означає, що нічого не виділялося, і не було жодних видимих хімічних відбитків. Астрономи дійшли висновку, що планети мали густий серпанок і хмари.
«Існує велика підозра, що саме фотохімічна імла є причиною приглушених спектрів», – пояснили Кемптон та її колеги-дослідники у своїй пропозиції щодо спостережень JWST. «Прогнозується, що такі серпанки утворюються в обмеженому діапазоні температур – переважно нижче 850 К. Це означає, що планети, гарячіші за цю граничну температуру, повинні бути вільними від затемнюючих серпанків і мати чисті атмосфери, ідеальні для досліджень атмосфери».
«З цією метою ми пропонуємо отримати спектр пропускання TOI421b – субНептуна з найвищим співвідношенням сигнал/шум, який є достатньо гарячим (Teq ~ 1000 K), щоб очікувати умов без димки».
TOI-421b, з його вищою за норму температурою для субнептунових об’єктів, дала можливість краще розглянути субнептуни.
«Чому ми спостерігали цю планету, TOI-421 b? Тому що ми думали, що, можливо, на ній не буде серпанку», — сказав Кемптон. «А причина полягає в тому, що існували деякі попередні дані, які вказували на те, що, можливо, планети в певному діапазоні температур менш оповиті серпанком або хмарами, ніж інші».
JWST пройшов через це поле та надав спектр атмосфери екзопланети.
«Ми побачили спектральні особливості, які ми приписуємо різним газам, і це дозволило нам визначити склад атмосфери», – сказав провідний автор дослідження Девенпорт, студент третього курсу докторантури, який проводив первинний аналіз даних. «Тоді як у випадку з багатьма іншими субнептунами, які спостерігалися раніше, ми знаємо, що їх атмосфери складаються з чогось, але вони блокуються серпанком».
Дослідники були здивовані, виявивши, що результати JWST свідчать про атмосферу з великою кількістю водню.
«Нещодавно ми зосередилися на ідеї, що ті перші кілька субнептунів, яких спостерігав Вебб, мали атмосфери з важких молекул, тому ми очікували саме цього, а потім виявили протилежне», — сказав Кемптон.
Це означає, що TOI-421 b міг сформуватися та еволюціонувати інакше, ніж холодніші субнептуни. Висновки JWST показують, що атмосфера TOI-421 b імітує склад своєї зірки.
«Якби ви просто взяли той самий газ, з якого складається зірка-господар, помістили його поверх атмосфери планети та помістили при набагато нижчій температурі, ніж ця планета, ви отримали б таку ж комбінацію газів. Цей процес більше відповідає планетам-гігантам нашої Сонячної системи та відрізняється від інших субнептунових систем, які досі спостерігалися за допомогою Вебба», – сказав Кемптон.
У висновках своєї статті автори обговорюють наслідки цих висновків. Вчені, що досліджують екзопланети, вважають, що як субНептуни, так і суперземлі спочатку мають кам’янисті ядра, що притягують водневі атмосфери із сонячної туманності. Вплив випромінювання їхніх зірок сприяв руйнуванню їхніх атмосфер, і втрата маси, спричинена ядром, також могла цьому сприяти. Субнептуни мали масивніші ядра та зберегли свої атмосфери, тоді як суперземлі цього не мали. Це може пояснити радіусну долину.
«Ці висновки, разом з нашою припущеною масовою часткою H/He в об’ємі ~1 відсоток, означають, що TOI-421 b має первісну атмосферу, що узгоджується з прогнозами про те, що радіусова долина формується процесами втрати маси», – пишуть автори у своєму висновку.
«Вражаючі відмінності між властивостями атмосфери TOI-421 b та властивостями інших субнептунів, що спостерігаються за допомогою JWST та обертаються навколо пізніх карликових зірок K та M, вказують на необхідність подальшого вивчення об’єктів цього класу», – пишуть вони.
Ці результати ставлять чіткі питання: чи схожі інші гарячі субнептуни, що обертаються навколо зірок, подібних до Сонця? Чи TOI-421 ba є одноразовим випадком, а популяції екзопланет просто різноманітні? Лише додаткові спостереження можуть сказати нам про це.
«Ми відкрили новий спосіб вивчення цих субнептунових груп», – сказав Девенпорт.
«Ці планети з високою температурою піддаються характеризації. Тож, розглядаючи субнептуни цієї температури, ми, можливо, з більшою ймовірністю зможемо пришвидшити нашу здатність вивчати ці планети». Цю статтю було вперше опубліковано виданням Universe Today.