Впервые обнаружена атмосфера у каменистой экзопланеты в обитаемой зоне

Международная группа астрономов впервые обнаружила атмосферу у каменистой экзопланеты, расположенной в обитаемой зоне своей звезды. Объектом открытия стала суперземля LHS 1140b на расстоянии 48 световых лет (14,96 парсека) от Земли. Планета обращается вокруг старого красного карлика, чей возраст превышает 3 миллиарда лет.

До этого момента Земля оставалась единственной каменистой планетой с подтверждённой газовой оболочкой.

Ведущий автор исследования Коллин Черубим (Collin Cherubim) применил разработанную им модель эволюции атмосфер, которая предсказывала существование гелиевых атмосфер у экзопланет. Для проверки этого варианта учёные провели спектроскопические наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью спектрографа на оптическом телескопе телескоп имени Магеллана «Клэй». В 2024 году приборы зафиксировали линию поглощения на длине волны 10 833 ангстрем, соответствующую метастабильному гелию. Глубина поглощения составила 1,24%, что указывает на обширную газовую оболочку, радиус непрозрачного слоя которой в 1,52 раза превышает радиус самой планеты.

Анализ данных выявил сложную структуру рассеивающегося газа. Учёные обнаружили опережающий газовый хвост, который фиксировался до начала транзита планеты с глубиной поглощения 1,01%. Это явление связывали с взаимодействием планетарного газа со звёздным ветром или магнитными полями. Также были замечены признаки последующего газового шлейфа. Однако в 2025 году поглощение гелия обнаружено не было. Такая изменчивость указывает на сильные колебания скорости потери атмосферы, вызванные изменениями звёздного потока рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения или колебаниями температуры верхних слоёв атмосферы.

Суперземля LHS 1140b имеет радиус 1,73 радиуса Земли, а масса превосходит земную в 5,6 раза. Из-за таких параметров сила тяжести на планете почти в 2 раза превышает земную. Экзопланета находится в приливном захвате, то есть всегда повёрнута к звезде одной стороной, из-за чего на ней существуют постоянные дневное и ночное полушария. Орбитальный период планеты составляет 24,7 дня. Она получает около 42% от объёма солнечной энергии, падающей на Землю, что обеспечивает её равновесную температуру на уровне 226 кельвинов (-47 градусов Цельсия).

Утечка атмосферных газов происходит в форме гидродинамического оттока, движимого нагревом от звёздного ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Скорость потери массы оценивается в диапазоне от 0,67 × 108 до 1,14 × 108 граммов в секунду. Верхние слои атмосферы практически полностью лишены водорода, а отношение водорода к гелию составляет около 10–3. Лёгкий водород улетучился быстрее под воздействием радиации, оставив после себя гелиевую оболочку. Скорость оттока гелия оказалась недостаточной, чтобы увлечь за собой более тяжёлые элементы с массой более 9 атомных единиц массы. По этой причине углерод, азот и кислород должны накапливаться в нижних слоях атмосферы.

Сохранению плотных слоёв способствует холодная ловушка для воды. При равновесной температуре планеты водяной пар конденсируется на уровне тропопаузы, где температура падает до 194 кельвинов (-79 градусов Цельсия). Это блокирует попадание воды в верхние слои атмосферы и защищает её от фотодиссоциации (распада молекул под действием света) с последующей потерей водорода. Модели показывают, что под «гелиевым щитом» планета может удерживать от 9% до 19% воды от своей общей массы. Учёные пока не могут точно утверждать, является ли поверхность каменистой или покрыта глобальным океаном, но нижняя атмосфера потенциально способна накапливать углекислый газ, водяной пар и кислород.

Результаты работы подтверждают концепцию «космической береговой линии» — границы, определяющей способность экзопланет удерживать газовую оболочку в зависимости от уровня звёздного облучения. Система LHS 1140 полностью соответствует этой теории: в то время, как LHS 1140b сохраняет атмосферу, внутренняя планета LHS 1140c с массой 1,91 и радиусом 1,272 от земных параметров, получающая в 5 раз больше радиации и совершающая оборот за 3,78 дня, лишилась своей атмосферы. Совмещение новых данных с архивными наблюдениями космических телескопов «Джеймс Уэбб» и «Хаббл» делает возможным ключевые проверки теории пригодности каменистых экзопланет к жизни вне Солнечной системы.

©  iXBT