Астрономы в Массачусетском технологическом институте, Гарвардском университете и других местах искали на скалистой экзопланете размером с Землю признаки атмосферы — и не нашли ни одного.
Атмосферы ранее были обнаружены на планетах, гораздо больших, чем наша, включая несколько горячих Юпитеров и суб-Нептун, все из которых в основном сделаны из льда и газа. Но это первый раз, когда ученым удалось выяснить, есть ли у земной планеты размером с Землю за пределами нашей солнечной системы атмосфера.
Рассматриваемая планета, LHS 3844b, была обнаружена в 2018 году спутником НАСА Transiting Exoplanet Survey, TES, и была измерена примерно в 1,3 раза больше Земли. Планета движется вокруг своей звезды всего за 11 часов, что делает ее одной из самых быстрых из известных экзопланет. Сама звезда — это маленький прохладный М-карлик, который находится всего в 49 световых годах от Земли.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, команда сообщает, что LHS 3844b, скорее всего, не имеет ни толстой, подобной Венере атмосферы, ни тонкой, подобной Земле атмосферы. Вместо этого планета, вероятно, больше похожа на Меркурий — пузырящийся голый камень. Если атмосфера когда-либо существовала, исследователи говорят, что радиация звезды, вероятно, взорвала ее в начале формирования планеты.
«Мы в основном нашли горячую планету без газов вокруг нее», — говорит соавтор Дэниел Колл, постдок из Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Впервые мы узнали что-либо подробное об атмосфере планеты вокруг этих M-карликов, которые являются наиболее распространенным типом звезды, что делает LHS 3844b самым распространенным типом скалистых планет в галактике».
Может ли какая-либо форма жизни ухватиться в такой бесплодной пустоши? Колл и его коллеги говорят, что это крайне маловероятно, так как отсутствие атмосферы мгновенно уничтожит любые организмы на поверхности планеты. Но это не значит, что другие наземные экзопланеты также не имеют прикрытия.
«Мы никогда не думали, что эта конкретная планета будет гостеприимной на всю жизнь», — говорит ведущий автор Лаура Крейдберг, исследователь Гарвардского центра астрофизики. «Это больше вопрос о том, имеет ли эта целая категория планет вокруг меньших звезд атмосферу или нет. И наша методика — это надежный способ оценки наличия атмосферы».
Открытые грани
В 2018 году LHS 3844b был одним из первых видов внесолнечных миров, подтвержденных TESS, разработанным в MIT спутником, который отслеживает тысячи ближайших, самых ярких звезд для транзитов — периодических провалов в звездном свете, которые могут сигнализировать о вращении планеты перед звездой.
Kreidberg и ее команда отметили LHS 3844b как идеальную лабораторию, поскольку ее звезда яркая и находится поблизости, и, следовательно, источник, с помощью которого ученые могут детально изучить планету. Поскольку LHS 3844b находится очень близко к своей звезде и, таким образом, невероятно горяч, Крейдберг и Колл рассуждали, что он должен выделять достаточно тепла, чтобы раскрыть подсказки о том, является ли он атмосферой.
LHS 3844b — это планета, которая находится в замкнутом состоянии и имеет постоянную дневную и ночную стороны относительно своей звезды, так же как луна всегда показывает одно и то же лицо к Земле. Если атмосфера существует, она будет распространять тепло вокруг всей планеты, и тепло, излучаемое как дневной, так и ночной сторонами, будет примерно одинаковым. В отсутствие атмосферы дневная сторона была бы значительно жарче, чем ночная.
Когда планета вращается вокруг своей звезды, наблюдатель может видеть различные лица этой планеты. Когда он выходит из-за своей звезды, дневная сторона планеты обнажена. Затем, когда она вращается перед звездой, планета поворачивается, чтобы показать свою ночную сторону, затем возвращается, чтобы обнажить свою дневную сторону, прежде чем снова пересечь звезду.
Исследователи полагали, что, если бы они могли измерить тепло, выделяемое различными лицами планеты во время ее орбиты, они могли бы определить разницу температур между дневной и ночной сторонами и, в конечном счете, имеет ли планета атмосферу.
Чтобы проверить эту идею, команда использовала космический телескоп НАСА Spitzer, прибор, который измеряет инфракрасное излучение или тепло, и направила телескоп на LHS 3844b в течение 100 часов, захватив в общей сложности около 10 орбит планеты. Они измеряли тепло, выделяемое различными гранями планеты на каждой орбите.
«Это было сделано для планет, более близких по размеру к Юпитеру, но это первый раз, когда это измерение было сделано для земной планеты вокруг звезды-карлика M», — говорит Колл.
Исходя из своих измерений, исследователи подсчитали, что дневная сторона составляет 1 000 кельвинов, или около 1340 градусов по Фаренгейту, в то время как ночная сторона падает до 0 К, или -460 F. Резкая разница температур указывает на то, что на планете нет плотная, похожая на Венеру атмосфера, которая будет равномерно распределять тепло по всей планете.
Команда смоделировала различные сценарии с участием более тонких атмосфер различного состава, но они обнаружили, что ни один из них не производил распределение тепла, которое соответствовало бы их наблюдениям, указывая на то, что на планете также нет тонкой, подобной Земле атмосферы.
Был один сценарий, при котором чрезвычайно тонкая атмосфера, подобная той, что была на Марсе, могла вызвать резкую разницу тепла планеты. Тем не менее команда обнаружила, что маловероятно, чтобы такая тонкая атмосфера оставалась стабильной, так как излучение звезды быстро унесет любые следовые газы, окружающие планету.
Исследователи пришли к выводу, что LHS 3844b по сути является очень горячей, голой скалой. Но что это за камень? На последнем шаге команда попыталась определить его состав путем измерения отражательной способности поверхности планеты. Как мы знаем на Земле, различные минералы отражают свет в различной степени: базальт, который является черной, застывшей лавой, отражает очень мало света, в то время как более светлые породы, такие как гранит, содержащие минералы, такие как кварц, имеют более высокую отражательную способность. Команда измерила отношение яркости звезды к яркости планеты, чтобы вычислить отражательную способность планеты.
«Мы видим, что гранитоподобная поверхность исключается нашими данными, тогда как темный материал, такой как лавовое поле на Гавайях, или поверхность Меркурия, согласуется с нашими наблюдениями»,-говорит Крайдберг.
Хотя группа пришла к выводу, что на LHS 3844b отсутствует какая-либо атмосфера и, следовательно, жизнь, они говорят, что это может быть не так для аналогичных наземных экзопланет, вращающихся вокруг крутых M-карликов. Они надеются применить свою технику к другим скалистым экзопланетам, включая те, которые находятся дальше от своих звезд и имеют больше шансов сохранить атмосферу.
«Атмосфера помогает защитить жизнь и защитить ее от ультрафиолетового излучения», — говорит Крайдберг. «Я был бы очень рад обнаружить атмосферу на планете, даже если она слишком горячая или слишком холодная, потому что это скажет нам, что да, некоторые земные экзопланеты могут иметь атмосферы, и, вероятно, где-то там, там будет та, которая имеет правильную температуру, которая смогла сохранить жидкую воду.«