Космический аппарат «Джеймс Уэбб» обнаружил метан в атмосфере еще одной экзопланеты

Пару месяцев назад были опубликованы результаты исследования, проведенного космическим телескопом «Джеймс Уэбб», в ходе которого в атмосфере одной из экзопланет были обнаружены метан и углекислый газ. Речь шла о K2-18 b, возможной планете-гиганте с глобальным океаном и богатой водородом атмосферой.

Теперь «Уэбб» обнаружил метан в атмосфере другой экзопланеты — WASP-80 b. В спектрах, полученных с помощью NIRCam, обнаружены признаки метана и водяного пара. И если водяной пар исследователи обнаружили по меньшей мере у десятка внесолнечных планет, то метан до недавнего времени обнаружить не удавалось. Напомним, что метан — это молекула, в изобилии присутствующая в атмосферах Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна в нашей Солнечной системе.

Изучение WASP-80 b во время транзита и затмения

Температура WASP-80 b составляет около 550 градусов Цельсия, что относит ее к классу горячих юпитерианских экзопланет, близких по размерам и массе к Юпитеру. Экзопланета расположена в 163 световых годах от нас в созвездии Орёл. Она обращается вокруг своей звезды-хозяина, красного карлика, раз в три дня.

Поскольку планета находится так близко к своей звезде и обе они так далеки от нас, мы не можем увидеть ее напрямую даже с помощью самых современных телескопов, таких как «Джеймс Уэбб». Поэтому исследователи изучают совместный свет звезды и планеты, используя метод транзитов и затмений.

• Транзит происходит, когда планета движется перед своей звездой по орбите относительно нашей перспективы. При этом свет звезды, достигающий нас, несколько уменьшается из-за присутствия объекта.
• Затмение происходит, когда планета проходит позади своей звезды по ее орбите относительно нашей перспективы. При этом свет звезды снова уменьшается из-за отсутствия света, отраженного планетой.

Во время транзита тонкое кольцо атмосферы планеты освещается звездой. На определенных длинах волн, где молекулы атмосферы планеты поглощают свет, атмосфера кажется толще и блокирует больше света звезды. Это приводит к более глубокому затемнению, чем при других длинах волн, когда атмосфера кажется прозрачной. Этот метод помогает ученым понять, из чего состоит атмосфера планеты.

Однако непосредственно перед затмением и после него можно измерить инфракрасное излучение, испускаемое планетой, известное также как тепловое излучение. В спектрах затмений поглощение молекулами атмосферы планеты обычно проявляется как уменьшение света, излучаемого планетой на определенных длинах волн.

Определенность в присутствии метана

Спектр, полученный с помощью NIRCam методом бесщелевой спектроскопии, был проанализирован с помощью двух различных типов моделей, которые моделируют, какой должна быть атмосфера планеты в таких экстремальных условиях.

Первая модель является абсолютно гибкой, в ней можно использовать миллионы комбинаций количеств и температур метана и воды, чтобы найти сочетание, которое наилучшим образом соответствует данным Уэбба. Вторая модель, называемая самосогласованной, использует современные знания в области физики и химии для определения прогнозируемых уровней содержания метана и воды. Оба типа моделей пришли к одному и тому же выводу: подтверждению наличия метана.

Благодаря такому надежному обнаружению ученые не только нашли молекулу, ранее отсутствовавшую в наблюдениях за экзопланетами, но и теперь могут изучить, что этот химический состав говорит о рождении, росте и эволюции планеты. Например, измерив количество метана и воды на планете, можно сделать вывод о соотношении атомов углерода и кислорода. Предполагается, что это соотношение будет меняться в зависимости от места и времени формирования планет в системе. Таким образом, изучение соотношения углерода и кислорода может дать представление о том, сформировалась ли планета вблизи своей звезды или на большом расстоянии от нее, а затем постепенно перемещалась внутрь.

Будущие шаги с «Джеймсом Уэббом»

Этот результат показывает, что мы стоим на пороге все новых и новых интересных открытий. Например, дальнейшие наблюдения WASP-80 b с помощью MIRI и NIRCam позволят нам изучить свойства атмосферы в различных диапазонах длин волн света. А обнаружение метана на WASP-80 b позволяет предположить, что мы сможем наблюдать и другие богатые углеродом молекулы, такие как монооксид и диоксид углерода. Это позволит нам составить более полную картину состояния атмосферы этой планеты.

Кроме того, обнаружив на экзопланетах метан и другие газы, мы будем продолжать расширять наши знания о том, как химия и физика работают в условиях, отличных от земных. И сравнивать планеты за пределами нашей Солнечной системы с планетами внутри нее. Ведь, в конце концов, WASP-80 b, находясь на орбите очень близко к своей звезде, представляет собой газовую сферу, окутанную атмосферой из метана. Точно так же, как и гиганты в нашей планетной системе.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, можно найти здесь в предварительной версии.