Хотя они и не вращаются вокруг нашего Солнца, субнептуны являются наиболее распространённым типом экзопланет, или планет за пределами нашей солнечной системы, которые были наблюдаемы в нашей галактике. Эти небольшие газовые планеты окутаны тайной… и зачастую густым туманом. Теперь, благодаря наблюдениям экзопланеты TOI-421 b, космический телескоп Джеймса Уэбба от NASA помогает учёным лучше понять субнептуны так, как это было невозможно до запуска телескопа.

"Я ждала всю свою карьеру момента, когда появится Уэбб, чтобы мы могли значимо охарактеризовать атмосферы этих меньших планет," — говорит главный исследователь Элиза Кемптон из Университета Мэриленда в Колледж-Парке. "Изучая их атмосферы, мы получаем лучшее понимание того, как субнептуны образовались и развивались, и частью этого является понимание, почему они не существуют в нашей солнечной системе.".

Маленькие, холодные, окутанные туманом!
Существование субнептунов стало неожиданностью до их открытия с помощью退休 NASA космического телескопа Кеплера в прошлом десятилетии. Теперь астрономы пытаются понять, откуда пришли эти планеты и почему они так распространены.

До появления Уэбба учёные имели очень мало информации о них. Хотя суб-Нептуны в несколько раз больше Земли, они всё ещё значительно меньше газовых гигантов и, как правило, холоднее горячих Юпитеров, что делает их наблюдение гораздо более сложным по сравнению с их газовыми аналогами.

Ключевым открытием до появления Уэбба было то, что большинство атмосфер субнептунов имели плоские или безликие спектры передачи. Это означает, что когда учёные наблюдали спектр планеты, проходящей перед её звёздным хозяином, вместо того чтобы видеть спектральные особенности — химические отпечатки, которые могли бы раскрыть состав атмосферы — они видели лишь плоский спектр. Астрономы сделали вывод из всех этих плоских спектров, что по крайней мере некоторые субнептуны, вероятно, были сильно затенены облаками или туманами.

Другой вид субнептуна?
"Почему мы наблюдали эту планету, TOI-421 b? Потому что мы думали, что, возможно, у неё не будет туманов," — говорит Кемптон. "И причина в том, что существовали некоторые предыдущие данные, которые подразумевали, что, возможно, планеты в определённом температурном диапазоне менее окутаны туманом или облаками, чем другие."

Этот температурный порог составляет около 1,070 градусов по Фаренгейту. Ниже этой отметки учёные предположили, что между солнечным светом и метаном будет происходить сложный набор фотохимических реакций, что приведёт к образованию тумана. Но более горячие планеты не должны содержать метан и, следовательно, не должны иметь туман.

Температура TOI-421 b составляет около 1,340 градусов по Фаренгейту, что значительно превышает предполагаемый порог. Без тумана или облаков исследователи ожидали увидеть ясную атмосферу — и они её увидели!

Удивительное открытие!
«Мы наблюдали спектральные особенности, которые можем отнести к различным газам, и это позволило нам определить состав атмосферы», — заявил Брайан Дэвенпорт из Университета Мэриленда, аспирант третьего курса, который провёл основной анализ данных.

«В отличие от многих других субнептунов, которые были ранее наблюдаемы, мы знаем, что их атмосферы состоят из чего-то, но это скрыто за туманом».

Команда обнаружила водяной пар в атмосфере планеты, а также предварительные признаки угарного газа и диоксида серы. Однако были и молекулы, которые они не смогли зафиксировать, такие как метан и углекислый газ. Из полученных данных можно также сделать вывод о значительном содержании водорода в атмосфере TOI-421 b.

Легкая водородная атмосфера стала большим сюрпризом для исследователей. «Мы недавно привыкли к мысли о том, что первые несколько субнептунов, наблюдаемых с помощью Уэбба, имели атмосферы с тяжёлыми молекулами, поэтому это стало нашим ожиданием, а затем мы обнаружили противоположное», — отметила Кемптон. Это предполагает, что TOI-421 b могла сформироваться и эволюционировать иначе, чем более холодные субнептуны, наблюдаемые ранее.

Уникален ли TOI-421 b?
Атмосфера, богатая водородом, представляет собой интересное явление, поскольку она напоминает состав звезды, вокруг которой вращается TOI-421 b. «Если вы просто возьмёте тот же газ, который составил звезду-хозяина, добавите его к атмосфере планеты и охладите до более низкой температуры, характерной для этой планеты, вы получите ту же комбинацию газов. Этот процесс больше соответствует гигантским планетам в нашей солнечной системе и отличается от других субнептунов, которые были наблюдаемы с помощью Уэбба», — отметила Кемптон.

Помимо того, что TOI-421 b горячее, чем другие субнептуны, ранее наблюдаемые с помощью Уэбба, он вращается вокруг звезды, подобной Солнцу. Большинство других субнептунов, которые были изучены до сих пор, обращаются вокруг меньших и более холодных звёзд, известных как красные карлики.

Является ли TOI-421 b символом горячих субнептунов, вращающихся вокруг звёзд, подобных Солнцу, или же это всего лишь свидетельство разнообразия экзопланет? Чтобы выяснить, исследователи намерены наблюдать больше горячих субнептунов, чтобы определить, является ли это уникальным случаем или более широкой тенденцией. Они надеются получить новые сведения о формировании и эволюции этих распространённых экзопланет.

«Мы открыли новый способ изучения этих субнептунов», — заявил Дэвенпорт. «Эти высокотемпературные планеты поддаются характеристике, поэтому, изучая субнептуны этой температуры, мы, возможно, сможем ускорить наше понимание этих планет».

«Наше открытие высоко ионизированного неонового излучения в ядре М83 стало неожиданностью», — отметила Свея Эрнандес, ведущий автор нового исследования, проводимого в рамках AURA для Европейского космического агентства в Институте космических телескопов в Балтиморе, США. «Эти сигнатуры требуют значительных объемов энергии для своего образования — больше, чем способны генерировать обычные звезды. Это настоятельно указывает на наличие AGN, который до сих пор оставался неуловимым».

«До появления Уэбба у нас просто не было инструментов для обнаружения таких слабых и высоко ионизированных газовых сигнатур в ядре М83», — добавила Свея. «Теперь, благодаря его невероятной чувствительности в среднем инфракрасном диапазоне, мы наконец-то можем исследовать эти скрытые глубины галактики и раскрыть то, что когда-то было невидимо».

Наблюдения телескопа Джеймса Уэбба в ближнем инфракрасном диапазоне с использованием инструмента MIRI позволили астрономам заглянуть сквозь пелену космической пыли и выявить характерные признаки высоко ионизированного газа в небольших скоплениях, расположенных вблизи галактического ядра. Энергия, необходимая для формирования этих сигнатур, значительно превышает ту, которую могут обеспечить сверхновые или другие звездные процессы, что делает активное галактическое ядро (AGN) наиболее вероятным объяснением. Тем не менее, альтернативные сценарии, такие как экстремальные ударные волны в межзвёздной среде, продолжают изучаться.

«Телескоп Уэбб совершает революцию в нашем понимании галактик», — отметила соавтор исследования Линда Смит из Института науки космического телескопа. «На протяжении многих лет астрономы искали черную дыру в М83, но безуспешно. Теперь у нас, наконец, есть убедительная подсказка, указывающая на то, что она может существовать».

«Это открытие демонстрирует, как Уэбб делает неожиданные прорывы», — продолжила Смит. «Астрономы думали, что исключили наличие AGN в М83, но теперь у нас есть новые доказательства, которые ставят под сомнение прежние предположения и открывают новые горизонты для исследований».

Команда планирует провести дополнительные исследования с использованием других обсерваторий, таких как Аткамская большая миллиметровая/субмиллиметровая антенная решетка (ALMA) и Очень большой телескоп (VLT), чтобы глубже исследовать природу газа и подтвердить наличие сверхмассивной черной дыры в М83. Эти дополнительные наблюдения помогут определить, действительно ли вновь обнаруженное излучение происходит от AGN или же в игре находятся другие высокоэнергетические процессы.

Данное исследование демонстрирует способность телескопа Уэбба раскрывать скрытые структуры в галактиках и открывает новые перспективы для открытий в области астрофизики черных дыр. По мере того как астрономы продолжают расширять границы возможностей Уэбба, самые неуловимые загадки Вселенной становятся все более четкими.

В атмосфере TOI-270 d почти отсутствуют водород, гелий и аммиак. Где же они?

Предыдущие модели предсказывали их обилие в атмосферах субнептунов, но реальность оказалась иной. Кристофер Глейн из Юго-Западного института предложил объяснение: при высоких температурах образуется молекулярный азот, «отбирая» азот у аммиака. Кроме того, на планете может находиться океан магмы, который растворяет аммиак. Высокая температура также способствует тому, что лёгкие газы уносятся в космос.

Команда Глейна использовала геохимические модели для изучения атмосферы экзопланеты. Точность данных «Джеймса Уэбба» позволила провести глубокий анализ.

«Мы заглянули в "химическую кухню" другого мира, узнав о его температуре, возможных магматических океанах и происхождении», — поделился своими впечатлениями учёный.

TOI-270 d, вероятно, станет «Розеттским камнем» для понимания природы газовых карликов. Этот мир может быть промежуточным звеном между газовыми и твёрдыми экзопланетами. Изучая его, мы лучше понимаем разнообразие путей формирования и эволюции планет. Каждая новая экзопланета — это новая страница в книге Вселенной.

И кто знает, какие сюрпризы нас ждут в бескрайних просторах космоса? Исследование Вселенной напоминает известную фразу из русского фольклора: «Пойди туда — не знаю куда, принеси то — не знаю что». Мы не можем предсказать, что найдём завтра — возможно, очередную мёртвую планету или иной похожий объект, а может, аналог Земли. А может, кому-то посчастливится найти что-то искусственное, созданное не руками человека, и оставить след в истории.

Астрономы Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили планету, находящуюся на расстоянии около 140 световых лет от Земли, которая стремительно разрушается.

Эта разрушающаяся планета обладает массой, сопоставимой с массой Меркурия, однако она обращается вокруг своей звезды в двадцать раз ближе, чем Меркурий к Солнцу, завершая один полный оборот всего за 30,5 часов. На таком близком расстоянии от своей звезды планета, вероятно, покрыта магмой, которая испаряется в космос. Пока раскаленная планета стремительно вращается вокруг своей звезды, она теряет огромное количество поверхностных минералов, фактически испаряя себя.

Астрономы заметили эту планету с помощью спутника NASA по транзитному наблюдению экзопланет (TESS), миссии под руководством MIT, которая следит за ближайшими звездами в поисках транзитов — периодических падений яркости звезд, которые могут указывать на наличие орбитальных экзопланет. Сигнал, который привлек внимание астрономов, оказался необычным транзитом с колеблющимся по глубине падением на каждом обороте.

Ученые подтвердили, что сигнал исходит от плотно обращающейся каменистой планеты, которая оставляет за собой длинный, кометоподобный хвост из обломков.

"Протяженность хвоста колоссальна, достигая 9 миллионов километров в длину, что составляет примерно половину всей орбиты планеты", — говорит Марк Хон, ученый из Института астрофизики и космических исследований имени Кавли MIT.

Судя по всему, планета разрушается с поразительной скоростью, теряя количество материала, эквивалентное одному Эвересту каждый раз, когда она совершает оборот вокруг своей звезды. При таком темпе, учитывая ее небольшую массу, исследователи предсказывают, что планета может полностью разрушиться примерно через 1-2 миллиона лет.

"Нам повезло поймать ее именно в тот момент, когда она действительно исчезает", — говорит Ави Шпорер, соавтор открытия, также работающий в Научном офисе TESS. "Это как будто она на последнем дыхании".

Хон и Шпорер вместе с коллегами опубликовали свои результаты в журнале Astrophysical Journal Letters. Среди соавторов из MIT — Саул Раппапорт, Эндрю Вандербург, Йерон Ауденаерт, Уильям Фонг, Джек Хавиланд, Кэтрин Хессе, Даниэль Мутукришна, Глен Петитпас, Элли Шмельцер, Сара Сигер и Джордж Рикер, а также соавторы из нескольких других учреждений.

Новая планета, получившая обозначение BD+05 4868 Ab, была обнаружена почти случайно?

«Мы не искали планету такого типа», — говорит Хон. «Мы занимались типичной проверкой планет, и мне на глаза попался этот сигнал, который показался очень необычным».

Обычный сигнал орбитальной экзопланеты выглядит как кратковременное падение в кривой яркости, которое повторяется с регулярностью, указывая на то, что компактное тело, такое как планета, на короткое время закрывает свет своей звезды.

Однако этот типичный паттерн был совершенно не похож на то, что Хон и его коллеги зафиксировали от звезды BD+05 4868 A, расположенной в созвездии Пегас. Хотя транзит происходил каждые 30,5 часов, яркость возвращалась к норме гораздо медленнее, что свидетельствовало о наличии длинной структуры, все еще блокирующей свет звезды. Более того, глубина падения изменялась с каждым оборотом, что указывало на то, что то, что проходило перед звездой, не всегда имело одинаковую форму или блокировало одинаковое количество света.

«Форма транзита напоминает комету с длинным хвостом», — объясняет Хон, — «но маловероятно, что этот хвост содержит летучие газы и лед, как это ожидается от настоящей кометы — они не могли бы выжить в такой близости к звезде. Однако минеральные частицы, испаряющиеся с поверхности планеты, могут оставаться достаточно долго, чтобы образовать такой характерный хвост».

Учитывая близость к своей звезде, команда оценивает, что планета раскалена до примерно 1,600 градусов Цельсия, или почти 3,000 градусов Фаренгейта. Пока звезда обжигает планету, любые минералы на ее поверхности, вероятно, закипают и улетучиваются в космос, где остывают, образуя длинный и пыльный хвост.

Драматическая гибель этой планеты является следствием ее низкой массы, которая находится между массами Меркурия и Луны. Более массивные земные планеты, такие как Земля, обладают более сильным гравитационным притяжением и, следовательно, могут удерживать свои атмосферы. Для BD+05 4868 Ab исследователи предполагают, что гравитации недостаточно, чтобы удержать планету целиком.

«Это очень крошечный объект с очень слабой гравитацией, поэтому он легко теряет массу, что еще больше ослабляет его гравитацию, и он теряет еще больше массы», — объясняет Шпорер. «Это процесс, который выходит из-под контроля, и ситуация для планеты только ухудшается».

Почти из 6,000 планет, обнаруженных астрономами на сегодняшний день, ученым известны лишь три другие разрушающиеся планеты за пределами нашей Солнечной системы. Каждая из этих распадающихся миров была замечена более десяти лет назад с использованием данных космического телескопа NASA «Кеплер». Все три планеты были зафиксированы с похожими кометоподобными хвостами. Однако BD+05 4868 Ab обладает самым длинным хвостом и наиболее глубокими транзитами среди четырех известных на сегодняшний день разрушающихся планет.

«Это указывает на то, что ее испарение происходит с наибольшей катастрофичностью, и она исчезнет гораздо быстрее, чем другие планеты», — поясняет Хон.

Звезда, вокруг которой вращается планета, находится относительно близко и, следовательно, ярче, чем звезды, сопровождающие другие три разрушающиеся планеты. Это делает данную систему идеальной для дальнейших наблюдений с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который поможет определить минеральный состав пылевого хвоста, выявляя, какие цвета инфракрасного света он поглощает.

Этим летом Хон и аспирант Николас Тусай из Университета штата Пенсильвания возглавят наблюдения за BD+05 4868 Ab с помощью JWST. «Это уникальная возможность непосредственно измерить внутренний состав скалистой планеты, что может рассказать нам много о разнообразии и потенциальной обитаемости земных планет за пределами нашей Солнечной системы», — отмечает Хон.

Исследователи также планируют просмотреть данные TESS в поисках признаков других разрушающихся миров.

«Иногда с едой приходит и аппетит, и мы сейчас пытаемся инициировать поиск именно таких объектов», — говорит Шпорер. «Это странные объекты, и форма сигнала меняется со временем, что делает их трудными для обнаружения. Но мы активно работаем над этой задачей».