Аспирант UM Исаак Мальский, соавтор исследования, запустил трехмерные модели планеты, тестируя модели с облаками и дымкой и без них, чтобы увидеть, как эти аэрозоли формируют тепловую структуру планеты, и помочь интерпретировать данные.
Изображение предоставлено: NASA/JPL-Caltech/R. Больно (IPAC).

Группа исследователей использовала JWST для наблюдения за атмосферой GJ 1214b, измеряя тепло, которое она излучает, вращаясь вокруг своей звезды. Их результаты, опубликованные в журнале Nature 10 мая 2023 года, представляют собой первый случай, когда кто-либо напрямую обнаружил свет, излучаемый субпланетной экзопланетой — категорией планет, которые больше Земли, но меньше Нептуна.

Хотя GJ 1214b слишком горячая, чтобы в ней можно было жить, исследователи обнаружили, что ее атмосфера, вероятно, содержит водяной пар — возможно, даже значительное количество — и в основном состоит из молекул тяжелее водорода. Адъюнкт-профессор астрономии Мэрилендского университета Элиза Кемптон, ведущий автор исследования, сказала, что их результаты знаменуют собой поворотный момент в изучении планет субнептуна, таких как GJ 1214b.

«Я пытался понять GJ 1214b более десяти лет, — сказал Кемптон. «Когда мы получили данные для этой статьи, мы могли видеть, что свет от планеты просто исчезает, когда она уходит за свою звезду. Такого никогда раньше не наблюдалось ни для этой планеты, ни для любой другой планеты ее класса, так что JWST действительно выполняет свое обещание».

«Новый свет»

Субнептуны — самый распространенный тип планет Млечного Пути, хотя в нашей Солнечной системе их нет. Несмотря на темноту атмосферы GJ 1214b, Кемптон и ее соавторы решили, что эта планета по-прежнему является их лучшим шансом для наблюдения за атмосферой субнептуна из-за ее яркой, но небольшой родительской звезды.

В своей статье исследователи измерили инфракрасный свет, излучаемый GJ 1214b в течение примерно 40 часов — времени, которое требуется планете для обращения вокруг своей звезды. Когда день сменяется ночью, количество тепла, перемещающегося с одной стороны планеты на другую, во многом зависит от того, из чего состоит ее атмосфера. Этот метод исследования, известный как наблюдение фазовой кривой, открыл новое окно в атмосферу планеты.

«JWST работает на более длинных волнах света, чем предыдущие обсерватории, что дает нам доступ к теплу, излучаемому планетой, и позволяет создать карту температуры планеты», — сказал Кемптон. «Наконец-то мы увидели GJ 1214b в новом свете».

Измеряя движение и колебания тепла, исследователи определили, что у GJ 1214b нет атмосферы, в которой преобладает водород.

Потенциальный водный мир?

Вопрос о том, содержит ли GJ 1214b воду, давно интересовал астрономов. Предыдущие наблюдения космического телескопа Хаббла НАСА показали, что GJ 1214b может быть водным миром — расплывчатый термин для любой планеты, которая содержит значительное количество воды.

Последние данные JWST выявили следы воды, метана или их смеси. Эти вещества соответствуют тонкому поглощению света, наблюдаемому в диапазоне длин волн, наблюдаемом JWST. Потребуются дальнейшие исследования, чтобы определить точный состав атмосферы планеты, но Кемптон сказал, что доказательства по-прежнему согласуются с возможностью наличия большого количества воды.

«Основываясь на наших наблюдениях, GJ 1214b может быть водным миром», — сказал Кемптон. «Мы думаем, что обнаруживаем водяной пар, но это сложно, потому что поглощение водяного пара перекрывается с поглощением метана, поэтому мы не можем на 100% сказать, что мы обнаружили водяной пар, а не метан. Однако мы видим это свидетельство в обоих полушариях планеты, что усиливает нашу уверенность в том, что там действительно есть вода».

Размышляя над выводами

Исследователи сделали еще одно удивительное открытие в своем исследовании: GJ 1214b обладает невероятной отражающей способностью. Планета была не такой горячей, как ожидалось, что говорит исследователям о том, что что-то в атмосфере отражает свет.

Кемптон сказал, что есть много возможностей для дальнейших исследований, в том числе для более пристального изучения высотных аэрозолей, которые образуют дымку или, возможно, облака в атмосфере GJ 1214b. Ранее исследователи думали, что это может быть темное, похожее на сажу вещество, которое поглощает свет. Однако открытие того, что экзопланета является отражающей, поднимает новые вопросы.

«Что бы ни составляло туман или облака, это не то, что мы ожидали. Оно яркое, оно отражающее, и это сбивает с толку и удивляет», — сказал Кемптон. «Это укажет нам на множество дальнейших исследований, чтобы попытаться понять, что это может быть за дымка».