Исследование показывает, как облака формируют строение субнептуновых галактик

Фото из открытых источников

На сегодняшний день астрономы подтвердили существование 6324 экзопланет в 4738 звёздных системах, и ещё десятки тысяч ожидают подтверждения. Субнептуновые планеты, класс планет, масса которых находится между массой Земли и Нептуна, являются одними из самых распространённых типов в переписи экзопланет, на их долю приходится 2182 подтверждённых открытия. И всё же астрономы очень мало знают об этом загадочном классе планет, в том числе и о том, из чего они состоят.

В частности, учёных интересует состав их внутреннего строения. Они предполагают, что у них может быть каменистая внутренняя структура, окружённая богатой водородом атмосферой, или же они могут быть богаты летучими веществами, содержащими огромное количество воды и углеродсодержащих молекул. Используя данные космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), группа астрономов из Университета штата Аризона (ASU) обнаружила интересную взаимосвязь между атмосферами этих планет и условиями в глубинах их недр.

Исследование возглавил Сагник Мукерджи, научный сотрудник программы 51 Pegasi b в Школе изучения Земли и космоса (SESE) Университета штата Аризона. К нему присоединились Мэтью К. Никсон, также научный сотрудник программы 51 Pegasi b в SESE, Джеймс Манг из Техасского университета в Остине, а также эксперты из исследовательского центра Эймс НАСА и Института SETI. Результаты их работы были недавно опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters.

Хотя телескоп JWST обладает достаточной мощностью и чувствительностью для изучения атмосфер субнептунов, он может наблюдать только верхние слои атмосферы планет. Задача астрономов состоит в том, чтобы связать верхнюю атмосферу с внутренним строением, что осложняется наличием облаков. По сути, если облака образуются высоко в атмосфере планеты, они могут скрывать химический состав того, что находится под ней. Используя подробные компьютерные модели, Мукерджи и его коллеги определили, что эти облака активно формируют физические условия во внутреннем строении планеты.

По сути, они обнаружили, что облака, состоящие из испаренных горных пород и солей, могут образовываться глубоко в атмосферах субнептуновых галактик, превращаясь в теплоизоляционный слой, удерживающий тепло внутри. На основе своего моделирования команда обнаружила, что облака могут повышать температуру в нижних слоях атмосферы более чем на 1000 °C, одновременно охлаждая верхние слои. Это изменение температуры распространяется вплоть до границы между атмосферой и нижележащим внутренним пространством.

В частности, модели, разработанные командой, показали, что для двух субнептунов, GJ 1214 b и TOI-1231 b, дополнительного тепла было достаточно, чтобы расплавить каменистую внутреннюю часть, потенциально создав магматический океан. «Среди субнептунов, изучаемых в настоящее время с помощью JWST, мы с удивлением обнаружили, что нагрев, вызванный облаками, может повысить температуру на границе атмосферы и внутренней части планеты примерно на 1400–2600 градусов Цельсия», — сказал Мукерджи.

Как и в случае вулканической активности на Земле, магматические океаны во внутренних областях этих планет, вероятно, будут обмениваться газами между каменистыми недрами и их внешними атмосферами. Нагрев вызовет выброс газов (таких как кислород), гидрида кремния и монооксида кремния в атмосферу. Тем временем летучие вещества, такие как метан, водяной пар и аммиак, будут поглощаться магматическим океаном. По сути, это будет означать, что атмосферы планет загрязнены событиями, происходящими глубоко внутри, степень загрязнения напрямую зависит от степени облачности атмосферы.

Это создает серьезную проблему для ученых, интерпретирующих данные JWST. По сути, облака, образованные магматическими океанами, могут искажать сигналы, принимаемые телескопом Webb, а это значит, что химические элементы, которые он обнаруживает в атмосфере планеты, расположенной ниже Нептуна, не отражают общий состав планеты. В изучении экзопланет астрономы традиционно рассматривали облака как препятствие, приглушающее спектральные сигналы, которые раскрывают состав планеты.

Более того, облака в атмосфере субнептуновых объектов вызывают процессы нагрева и охлаждения, которые изменяют их внутреннее строение и влияют на то, как они сжимаются и охлаждаются с течением времени, воздействуя на их нынешние размеры и внутреннюю температуру. Это особенно важно, учитывая, что субнептуновые объекты становятся потенциальными кандидатами на обитаемость (при наличии соответствующих условий). Для изучения этой возможности ученым необходимо четкое представление об их поверхностях и внутренней структуре.

Это исследование подчеркивает важность понимания роли облаков в формировании свойств недр планет. «Интерпретация наблюдений субнептунов с помощью телескопа JWST представляет собой особенно сложную задачу из-за сложной взаимосвязи между атмосферой и внутренним строением», — сказал соавтор исследования Луис Велбанкс. «Эта работа приближает нас на один шаг к ответу на вопрос о том, из чего состоят эти загадочные миры».