Астрономы нашли на горячей, как звезда, суперземле толстую атмосферу

Планета Янссен, или 55 Рака e, давно заинтересовала астрономов. Это одна из первых открытых транзитных суперземель (то есть планета регулярно проходит между нами и звездой). В ее «семье» еще как минимум четыре планеты, среди которых есть горячий юпитер и газовый гигант с орбитальным периодом в 15 лет. Все они летают вокруг яркого желтого карлика, который служит частью двойной звезды. Его компаньон, красный карлик, летает на расстоянии около 1060 астрономических единиц.

Желтый карлик 55 Рака — одна из немногих известных ярких звезд с транзитирующими планетами. Впрочем, транзитным методом обнаружили только Янссена, все остальные пока открыты лишь по «вихлянию» звезды, то есть методом лучевых скоростей. Кстати, звезду видно невооруженным глазом при благоприятных погодных условиях. Она расположена в 40 световых годах от нас.

Каменистый Янссен находится ближе всего к звезде и делает оборот менее чем за одни земные сутки. Он почти в два раза больше Земли (1,95 земного радиуса), а по массе — почти в девять раз больше (8,8 земной массы). Из-за близости к светилу его равновесная температура достигает 1,7 тысячи градусов Цельсия (две тысячи кельвинов). Это сопоставимо с температурой самых холодных звезд.

Астрономы давно наблюдают за этой планетой в попытке разобраться в ее строении и составе. Транзитный метод как раз позволяет изучить строение атмосферы, анализируя изменения в излучении звезды, когда планета проносится перед ней.

Так ученые подтвердили, что у Янссена не может быть преимущественно водородная атмосфера, то есть атмосфера, «данная ему от рождения». Во-первых, этого не видно в данных наблюдений. Во-вторых, при такой близости к звезде она давно «испарилась» бы.

Астрономы, анализировавшие вероятную историю и условия эволюции Янссена, даже пришли к выводу, что планета, вероятно, «голая». Другие ученые предположили, что если атмосфера и есть, то она «вторичная», насыщенная соединениями от процессов на самой планете, в первую очередь вулканических. Все эти исследования проводили до запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб». С учетом многолетнего интереса к этой экзопланете неудивительно, что в программе работы телескопа выделили время для изучения Янссена. И вот ученые поделились результатами первых наблюдений.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, исследователи обработали данные, собранные «Джеймсом Уэббом». Несмотря на разрешение и возможности телескопа, «очистить» полученные значения от «шума» звезды и других соседних источников оказалось непросто. Анализ проводили независимо сразу несколько групп. У них было два набора данных: NIRCam в ближнем инфракрасном (от наблюдений в 2022 году) и MIRI в среднем инфракрасном диапазонах (от наблюдений в 2023 году).

В первую очередь изучили температуру и «яркость» планеты, чтобы отбросить гипотезу о «голой» планете. Расплавленная лава не способна дать такие показатели, значит, жар должна распределять значительная по объему атмосфера — толщиной в несколько процентов от радиуса планеты.

Чтобы определить состав этой атмосферы, «очищенные» данные наблюдений ученые проверили на множестве компьютерных моделей разного соотношения соединений. Лучше всего под показатели подошла богатая угарным и углекислым газом атмосфера. В некоторых моделях совпадение получалось еще лучше при добавлении воды, сернистого газа и фосфина.

Как показали авторы работы, Янссен может поддерживать такую атмосферу своим океаном магмы. В подобных условиях даже сильное излучение звезды не способно ее «испарить». Более того, замеченные «колебания» в излучении самой планеты могут объясняться выбросами из лавового океана — как более летучих веществ, влияющих на нагрев разных слоев атмосферы, так и соединений, способных конденсироваться в короткоживущие облака.

Чтобы убедиться в этих выводах, авторы работы призвали продолжить наблюдения за атмосферой планеты с помощью телескопа «Джеймс Уэбб».