Свежие данные, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, показывают, что у экзопланеты Trappist-1 b, похожей на Землю, все-таки может быть атмосфера, что потенциально опровергает более ранние выводы.

Около сорока световых годов от Земли вокруг звезды Trappist-1 вращаются семь планет, три из которых – Trappist-1e, f и g – находятся в обитаемой зоне звезды и теоретически могут быть достаточно теплыми, чтобы на их поверхности могла существовать жидкая вода. С момента своего запуска космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) провел 290 часов, наблюдая за системой Trappist-1 в ходе десяти исследовательских работ.

Эльза Дюкорт из Парижского комиссариата атомной энергетики (CEA) возглавляла исследовательскую группу, которая проанализировала показания инфракрасного теплового излучения, полученные с помощью тепловизора среднего инфракрасного диапазона (MIRI), разработанного JWST в прошлом году, и пришла к выводу, что у Trappist-1 b вряд ли есть атмосфера.

“Однако идея о каменистой планете с сильно выветренной поверхностью без атмосферы не согласуется с текущими измерениями”, - сказал Йерун Боуман, астроном из Гейдельбергского астрономического института Макса Планка (MPIA). “Поэтому мы считаем, что планета покрыта относительно неизмененным материалом”.


Молодая поверхность Trappist-1 b.

Как правило, интенсивное звездное излучение и столкновения с метеоритами в течение длительного времени могут негативно сказаться на любой каменистой планете, не имеющей атмосферы. Однако на Trappist-1 b возраст земной коры составляет всего около 1000 лет, что намного моложе, чем миллиарды лет существования планеты. Возможные объяснения сдвига земной коры включают вулканизм или тектонику плит, хотя пока нет доказательств, подтверждающих такую причинно-следственную связь
.
У ученых есть несколько теорий о том, как Trappist-1 b может сохранять достаточно тепла для такой деятельности. Из-за своих размеров планета, возможно, сохранила большую часть тепла, выделившегося во время ее формирования, подобно тому, как это когда-то делала Земля. Гравитационное притяжение ее звезды и близлежащих планет может вызывать трение внутри планеты, которое выделяет тепло, что астрономы наблюдали на спутнике Юпитера Ио. Наконец, некоторые близлежащие звезды могут выделять тепло через свои магнитные поля.

“Полученные данные также позволяют найти совершенно другое решение”, - говорит Томас Хеннинг, почетный директор MPIA и один из главных разработчиков прибора MIRI. “Вопреки прежним представлениям, существуют условия, при которых на планете может быть плотная атмосфера, богатая углекислым газом (CO2)”.
Углекислый смог

Недостающим фрагментом головоломки может быть углеводородный смог, покрывающий верхние слои атмосферы. Две программы наблюдений Trappist-1b измерили яркость планеты на длинах волн, выходящих за пределы теплового инфракрасного диапазона. Один из них был предназначен для наблюдения за тем, поглощает ли слой CO2 инфракрасное излучение, но неспособность этого метода обнаружить какое-либо затемнение навела исследователей на мысль об отсутствии атмосферы.

Затем команда разработала модели, которые лучше понимали, как будет вести себя атмосфера, богатая Co2. Поскольку давление растет сверху вниз, нижние уровни атмосферы обычно теплее, чем верхние.

Модели команды показали, что дымка CO2, которую они ожидали, будет вести себя совсем по-другому. В такой атмосфере верхний слой был бы чрезвычайно теплым из-за поглощения CO2 звездным светом, что приводило бы к сильному парниковому эффекту. В таком сценарии углекислый газ в верхних слоях атмосферы испускал бы инфракрасное излучение, подобно метану на спутнике Сатурна Титане.

В пользу Trappist-1 b все еще нет однозначного мнения.

Несмотря на то, что показывает модель, некоторые исследователи не уверены, даже если новая информация соответствует реальным данным. Они указывают на трудности с получением атмосферы CO2 для создания углеводородных облаков. Хотя этот эффект наблюдается на Титане, эти облака состоят из метана, а не из углеводородов. Кроме того, как звезда- красный карлик, Trappist-1 может вызывать неустойчивую космическую погоду, которая со временем может привести к разрушению атмосферы окружающих ее планет.

Несмотря на то, что JWST значительно изменила правила игры в наблюдениях за Вселенной, главная космическая обсерватория НАСА по-прежнему имеет свои пределы. На каменистых планетах, подобных Земле, результаты измерений намного слабее, чем на огромных газовых гигантах. Несмотря на то, что оба исследователя наблюдали за Trappist-1 b в течение почти 48 часов, они все еще не смогли собрать достаточно данных, чтобы окончательно определить, есть ли у нее атмосфера.

Наблюдение за экзопланетами.

Во время недавних наблюдений планеты Trappist-1 были видны, когда они проходили перед звездой, уменьшая яркость красного карлика. Метод транзитной спектроскопии позволяет измерить длину волны затемнения, а поскольку разные газы поглощают разные длины волн, этот процесс позволяет определить, какие газы присутствуют.
Хотя этот метод обычно эффективен, непостоянство красного карлика, такого как Trappist-1, затрудняет получение точных измерений. Сложно отличить затемнение, вызванное проходящим объектом, от изменений яркости, вызванных звездными пятнами и извержениями.

Другой метод, позволяющий устранить некоторые из этих проблем, - это рассмотреть сторону планеты, нагретую звездой, в инфракрасном диапазоне. Непосредственно перед тем, как планета проходит за своей звездой, свет звезды, падающий на ее поверхность, легко увидеть. Собранное инфракрасное излучение дает много информации о поверхности и атмосфере планеты, но сбор этих данных занимает гораздо больше времени, чем транзитная спектроскопия.

Следующие шаги по поиску планет, похожих на Землю.

Следующим шагом команды будет анализ данных, полученных в ходе их самой интенсивной на сегодняшний день работы по сбору данных, и, наконец, определение того, есть ли у планеты атмосфера. Зафиксировав полную орбиту Trappist-1 b, исследователи получили данные обо всех фазах освещения ее ночной и дневной сторон непосредственно до и после того, как звезда покроет ее.
Астрономы будут использовать эти данные для построения “фазовой кривой”, демонстрирующей изменение яркости, которая, в свою очередь, покажет распределение температуры на поверхности. Если температура резко упадет во время перехода от дня к ночи, это будет указывать на отсутствие атмосферы, способной удерживать тепло.
Проект Trappist-1 является лишь одной из многих инициатив по исследованию атмосфер планет, похожих на Землю. Недавно НАСА одобрило программу под названием Rocky Worlds, которая позволит в течение 500 часов наблюдать за атмосферами скалистых планет.