Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб», ученые впервые провели исследование атмосферы горячего субнептуна TOI-421 b, который находится примерно в 244 световых годах от нашей планеты. Это значительное достижение, поскольку атмосфера большинства экзопланет, подобных этому миру, заслонена плотной пеленой, препятствующей наблюдению спектральных характеристик.
Субнептуны, планеты, размеры которых сопоставимы с Землей и Нептуном, вероятно, являются одними из наиболее часто встречающихся тел в Галактике. В нашей Солнечной системе подобные планеты не обнаружены, поэтому астрономы, занимающиеся изучением экзопланет, проявляют к ним повышенный интерес. Однако наблюдение за ними затруднено: аэрозоли, присутствующие в атмосферах этих планет, скрывают химические соединения.
Обнаружено, что большинство исследованных субнептунов, в частности GJ 1214b, характеризующихся плотной дымкой, или TOI-270 d, отличающихся высокой металличностью (астрономы используют термин «металлы» для обозначения всех элементов, тяжелее гелия), обращаются вокруг холодных звезд. Их равновесные температуры, рассчитанные без учета парникового эффекта, находятся в диапазоне от 7 °C (K2-18 b) до 347 °C (GJ 9827d), однако субнептуны с дымкой, как правило, попадают в интервал 7–527 °C.
Экзопланета GJ 9827d ранее фигурировала в других работах как содержащая большое количество металлов, а на K2-18 b недавно было обнаружено диметилсульфид — молекула, ассоциирующаяся с жизнью на Земле. Однако происхождение этой молекулы на других планетах до сих пор вызывает вопросы, как и раньше рассказывал Naked Science.
TOI-421 b обладает уникальными характеристиками: температура его поверхности достигает 647 °C, а период обращения вокруг звезды-аналога Солнца составляет 5,2 суток. На текущий момент это самый горячий субнептун, исследованный с помощью телескопа «Уэбб», и его атмосфера отличается исключительной прозрачностью.
Использованные на телескопе «Уэбб» инструменты NIRISS и NIRSpec впервые предоставили возможность детального изучения этой планеты. Полученный спектр в диапазоне от 0,83 до 5 микрометров показал отсутствие аэрозольной дымки, типичной для субнептунов. Благодаря атмосфере, прозрачной подобно стеклу, удалось с высокой точностью определить концентрацию водяного пара, что ранее было затруднено из-за наличия аэрозолей).
Анализ данных позволил астрономам сделать вывод о том, что атмосфера субнептуна преимущественно состоит из водорода и гелия с небольшой молекулярной массой, что сопоставимо с составом Солнца. Ученые не зафиксировали наличие метана (CH₄) и диоксида углерода (CO₂), а слабые признаки оксида серы (SO₂) и монооксида углерода (CO), полученные с помощью NIRSpec, нуждаются в дополнительном подтверждении в связи с низким качеством данных (NIRISS, напротив, предоставила более точные результаты).
Согласно проведенным расчетам, экзопланета TOI-421 b обладает плотным ядром, состоящим из камня и железа, которое окружено тонким слоем, включающим водород, гелий и незначительное количество воды. Этот факт свидетельствует о наличии первичной атмосферы, образовавшейся на ранних этапах формирования планеты и сохранившейся, несмотря на сильное воздействие излучения звезды.
Результаты научной работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, поддерживают существующие теории формирования субнептунов, включая модель «долины радиусов» — разрыва в размерах между скалистыми суперземлями и газовыми субнептунами. Эта модель объясняет, почему некоторые миры теряют водородные оболочки, становясь суперземлями, тогда как TOI-421 b сохраняет свою.
По мнению исследователей, звездная среда оказывает существенное влияние на создание и развитие этих планет. Будущие исследования, проводимые с использованием космического телескопа «Джеймс Уэбб», позволят получить более подробную информацию о формировании субнептуна TOI-421 b и подобных ему планетных систем.