По данным космического телескопа Hubble астрономы обнаружили атмосферу у похожей на Землю по размерам и плотности экзопланеты GJ 1132 b, находящейся очень близко возле своей звезды. Под действием излучения звезды планета утратила свою первичную водородную и гелиевую оболочку, но затем восстановила атмосферу вследствие дегазации магмы и вулканической деятельности. Это первый случай обнаружения вторичной атмосферы у планеты вне Солнечной системы.
Спектральный состав атмосферы экзопланеты GJ 1132 b по данным телескопа Hubble в инфракрасном диапазоне. NASA/ ESA/ STScI.
В 2015 году в системе звезды — красного карлика в созвездии Парусов (Vela) на расстоянии 41 световой год при помощи транзитного метода была открыта экзопланета земного типа GJ 1132 b. Обозначение GJ отсылает к каталогу Глизе (Gliese) ближних звёзд на расстоянии до 20 парсек. Такое близкое расстояние сделало возможным обнаружение и более детальное исследование атмосферы планеты. В 2021 году в атмосфере планеты нашли соединения, указывающие на вторичную атмосферу, которую планета может приобрести после рассеивания первичной атмосферы из водорода и гелия — вероятно, такой путь прошла Земля.
Vela (созвездие Парусов) и система GJ 1132.
Родительская звезда GJ 1132 относится к классу M4.5, она в два раза холоднее Солнца и в пять раз меньше его в диаметре. В её системе есть и другие планеты, но подтверждена пока только ещё одна, GJ 1132 c. Экзопланета b имеет массу 1,66 M⨁ (масс Земли), а радиус — 1,16 земных. Это позволяет отнести её к планетам земной группы, то есть к каменистым планетам со средней плотностью примерно как у вещества Земли (6,3 г/см3). Оборот вокруг своей звезды планета совершает за 1,6 дня и находится от неё на расстоянии 2,3 миллиона километров — гораздо ближе, чем Меркурий по отношению к Солнцу. Рассчитанная равновесная температура планеты GJ 1132 b составляет 529 K, и она получает в 19 раз больше излучения от звезды по сравнению с Землёй. Вероятно, из-за такого близкого расположения к звезде экзопланета находится в приливном захвате, как Луна (одна сторона планеты всё время обращена к своей звезде). Астрофизики проанализировали пять циклов наблюдений «Хаббла» в инфракрасном спектре по транзитам планеты перед диском её звезды. Новое исследование в апреле 2021 года опубликовано в The Astronomical Journal.
Свойства этой экзопланеты помещают её в «пустыню субнептунов» — область вблизи звезды, где практически никогда не обнаруживают планеты с массами 1,5-2 массы Земли, имеющие атмосферу. Излучение от звезды на таких небольших расстояниях должно сдувать газовую оболочку планеты за короткое время, поэтому открытие планеты с атмосферой необычного состава в этой области привлекло внимание. Относительная близость этой звёздной системы в будущем позволит изучить не только состав, но и другие свойства атмосферы, включая её «розу ветров».
Распределение экзопланет по радиусу и расстоянию от звезды и «пустыня нептунов». Пустыня нептунов — это «запретная» область в пространстве параметров открытых экзопланет, в которой практически отсутствуют объекты по сравнению с соседними густонаселёнными участками. Эту область видно, если нанести известные планеты на диаграмму, по осям которой откладывается расстояние (или период обращения вокруг звезды) и масса или радиус планеты. Среди нескольких тысяч экзопланет с известной массой практически не встречаются планеты с периодом обращения вокруг звезды порядка нескольких земных дней и легче Нептуна (но ощутимо тяжелее Земли). В то же время «горячие Юпитеры», то есть планеты на таких же близких расстояниях, но с массой, как у Юпитера, открывают в изрядном количестве. Физический механизм такой лакуны неясен, предполагается, что это может быть связано с различными путями образования каменных и газовых планет в непосредственной близости от звезды.
По данным космического телескопа Hubble удалось определить состав атмосферы у Gliese 1132 b. Атмосферу у экзопланет исследовали и раньше, но речь шла о первичной атмосфере газовых гигантов — «горячих Юпитеров» и «Нептунов». Сравнительно недавно астрономы научились исследовать и внешние оболочки каменных планет класса «Суперземель». У планеты GJ1132b с 2017 года сразу несколько исследовательских групп находили атмосферу, причём разного состава. Каждый раз анализировали те же данные по пяти циклам наблюдений Hubble за транзитами планеты, но интерпретации были противоречивы. Видимо, в атмосфере планеты преобладает водород (99%). Оставшийся 1% приходится на высокомолекулярные газы. Так, по характерным линиям в инфракрасном спектре удалось выделить сигнатуры цианистого водорода (синильной кислоты HCN), метана CH4 и аэрозолей. Моделирование также показывает присутствие в атмосфере молекулярного водорода.
Атмосферы Титана, Земли и «Суперземли» GJ 1132 b. NASA/JPL-Caltech.
Предполагается, что изначально планета сформировалась как субнептун — небесное тело с небольшим каменным ядром и массивной водородно-гелиевой атмосферой. Планета могла затем мигрировать ближе к своей звезде, которая лишила её этой первичной газовой оболочки, превратив в каменную планету класса Суперземли. Водород первичной атмосферы мог частично поглотиться расплавленной мантией, и впоследствии — за счёт дегазации последней — атмосфера планеты восстановилась. Вероятно, этому процессу содействовал вулканизм, усиленный нагревом из-за приливных сил. В результате освобождались газы, сначала растворённые в первичном океане магмы. Также возможно, что некоторые летучие вещества в атмосфере могли появиться в результате бомбардировки поверхности планеты кометами и астероидами.
Теория допускает, что планеты могут при некоторых условиях наращивать вторичную атмосферу (в своё время это произошло на Земле). Уничтожение первичной газовой оболочки планет из водорода и гелия под действием излучения звезды происходит наиболее интенсивно в первые 100 миллионов лет жизни системы. Этим механизмом пытаются объяснить разрыв в распределении экзопланет по размерам на коротких орбитах, то есть «пустыню Нептунов». Так, планеты с радиусом от 1,5 до 2 земных на таких орбитах встречаются очень редко. Удаление планетной оболочки оставляет у неё только ядро, как правило, с массой, большей 5 масс Земли. Астрономы предполагают, что субнептуны, лишённые первичной атмосферы, становятся суперземлями, которые потом наращивают вторичную атмосферу, используя магматический океан как резервуар летучего материала. GJ1132b — первый случай возможного обнаружения такого механизма у экзопланеты. В этом случае появляется возможность исследования не только атмосферы небесного тела, но и состава его магмы, то есть геологического строения.
Система GJ 1132 в интерактивном каталоге экзопланет NASA.
Источник: