Несмотря на относительную холодность многих звёзд малой массы, продолжительное время их жизни характеризуется мощными звездными ветрами и сильным ультрафиолетовым излучением. Вследствие этого возможно повреждение и разрушение атмосферы их планет.
Группа исследователей из Института астрономии Макса Планка изучает возможность сохранения значительной атмосферы у планеты TRAPPIST-1 c. Гравитационное притяжение этой каменистой планеты больше земного на 10%. Диаметр и масса TRAPPIST-1 c сравнимы с земными, а излучение от центральной звезды почти такое же, как на Венере.
Команда, применяя Джеймс Уэбб, искала атмосферу TRAPPIST-1c, но обнаружила, что она сильно отличается от атмосферы Венеры. Анализ тепла, испускаемого планетой, указывает на разреженную атмосферу с малым количеством углекислого газа. Это измерение также согласуется с безжизненной каменистой планетой без заметной атмосферы.
TRAPPIST-1 c не похожа на Венеру
Определение характеристик атмосфер каменистых планет, размером с Землю, представляет сложность даже для космического телескопа Джеймса Уэбба. Команда применила наблюдения «Уэбба» и модели, чтобы выявить наиболее вероятный диапазон свойств атмосферы, соответствующий полученным данным.
Объем, давление и состав атмосферы влияют на температуру планеты при разных уровнях освещения от звезды. Температура планеты определяет количество излучаемого ею инфракрасного света. Таким образом, инфракрасные измерения совместно с моделями позволяют получить представление об атмосфере и ее составе.
TRAPPIST-1 остаётся лучшим кандидатом для изучения атмосферы каменистых планет земного типа, обращающихся вокруг красной карликовой звезды. Семь каменистых планет земного размера расположены возле TRAPPIST-1, из которых три находятся в обитаемой зоне. Однако сама TRAPPIST-1 не является одной из этих планет. Руководитель программы наблюдений JWST, соавтор и директор MPIA Лаура Крайдберг заявила: «Мы можем исключить наличие плотной атмосферы, подобной атмосфере Венеры».
Температура на TRAPPIST-1 c меньше ожидаемой и составляет 110 градусов Цельсия, на 390 градусов ниже, чем на Венере. Излучаемый экзопланетой инфракрасный свет не похож на венерианский, атмосфера которого богата углекислым газом, создающим сильный парниковый эффект. Данные «Уэбба» показывают, что давление на поверхности TRAPPIST-1 c в десять раз больше земного.
Что если существует разреженная атмосфера?
Чтобы выяснить, может ли у TRAPPIST-1 c быть очень тонкой газообразной оболочкой, учёные рассчитали вероятность различных атмосферных параметров, чтобы найти те, которые соответствуют экспериментальным наблюдениям. Модель атмосферы предсказывает диапазон поверхностного давления и состав с преобладанием кислорода и примесями углекислого газа.
Горячие каменистые планеты, вращающиеся вокруг звезд малой массы, например TRAPPIST-1 c, по предположениям ученых, в начале эволюции обладают атмосферой, состоящей преимущественно из углекислого газа и водяного пара. С течением времени излучение звезды расщепляет воду на водород и кислород. Легкий водород постепенно улетучивается в космос, а более тяжелый кислород остается, формируя богатую кислородом атмосферу с небольшим количеством углекислого газа.
Модель, отражающая эту гипотезу, согласуется с широким диапазоном смесей и поверхностным давлением от 1% до 100% земного уровня моря. Это дает надежду на то, что TRAPPIST-1 c и другие достаточно тяжелые каменистые планеты вокруг холодных маломассивных звезд могут поддерживать атмосферу в течение большей части жизни звезды, поскольку звезда TRAPPIST-1 по крайней мере такая же старая, как Солнце.
Полученные данные необходимо подтвердить дополнительными наблюдениями. Анализ тонких атмосфер каменных планет ставит «Уэбба» перед сложной задачей, поскольку сигналы очень слабы, а многие характеристики пока остаются неизвестными, что порождает значительные погрешности.
TRAPPIST-1 c испытывает трудности из-за малого размера и приливной блокировки: она всегда обращена к своей центральной звезде одной стороной. В итоге образуются два полушария: освещенное днем и погруженное в вечную ночь. Длительность дня и года на планете составляет около 2,42 земных суток.
За пол оборота вокруг звезды TRAPPIST-1 планета полностью скрывается от телескопов в течение получаса. Видна только теплый, освещенный дневной ее край незадолго до и после исчезновения. Именно этот сигнал искала группа исследователей, хотя тонкая атмосфера была бы едва заметна.
Чтобы отличить обычную каменистую планету от планеты с тонкой атмосферой, необходимы дополнительные наблюдения «Уэбба». Другой вариант – провести подобные наблюдения с помощью Чрезвычайно большого телескопа (ELT), 39-метрового телескопа ESO в пустыне Атакама, который должен заработать к концу десятилетия. Благодаря своей чувствительности ELT сможет дать решающий ответ о подтверждении или окончательном опровержении наличия атмосферы вокруг TRAPPIST-1 c.