Неожиданно высокая металличность атмосферы теплого мини-нептуна TOI-270 d
Категория: ЭкзопланетыТрансмиссионный спектр мини-нептуна TOI-270 d показал наличие большого количество метана, углекислого газа, водяного пара и сероуглерода при отсутствии аммиака. Масса тяжелых газов составляет примерно половину массы атмосферы этой планеты, при этом атмосфера выглядит безоблачной.
Владислава Ананьева
Мини-нептуны – планеты радиусом 2-3 радиусов Земли – распространены очень широко, но при этом остаются загадочными. В Солнечной системе нет планет этого типа. Существует две основные гипотезы о химическом составе мини-нептунов: они могут быть железокаменными ядрами, окруженными водородно-гелиевой атмосферой массой несколько процентов полной массы планеты, а могут быть океанидами, или водными мирами, состоящими примерно наполовину из горных пород и воды. Поскольку оба варианта строения приводят к примерно одинаковой средней плотности, измерение только массы и радиуса не позволяет определить природу мини-нептунов, для этого нужно знать состав их атмосфер.
6 марта в Архиве электронных препринтов вышла статья, посвященная наблюдениям на JWST относительно прохладного мини-нептуна TOI-270 d. Планета была представлена в 2019 году. По последним данным, радиус TOI-270 d составляет 2.22 ± 0.07 радиусов Земли. Массу измерили в 2021 году – она оказалась равной 4.8 ± 0.5 масс Земли. Планета вращается вокруг своей звезды – красного карлика спектрального класса M3 V – на расстоянии 42 звездных радиусов, ее эффективную температуру оценили в 384 ± 10 К в предположении нулевого альбедо и 351 ± 10 К в предположении альбедо, равного 0.3, другими словами, эта планета немного прохладней Меркурия.
Авторы наблюдали два транзита TOI-270 d – 13 октября 2023 года с помощью инструмента NIRISS (в режиме спектроскопии одного объекта, в диапазоне 0.6-2.8 мкм), и 6 февраля 2024 года с помощью NIRSpec в диапазоне 2.7-5.2 мкм. Таким образом удалось получить качественный трансмиссионный спектр в диапазоне 0.6 -5.2 мкм. В спектре доминируют сильные полосы метана (он зарегистрирован с достоверностью 9.4 сигма) и углекислого газа (достоверность 4.8 сигма). Неуверенно обнаружен водяной пар (2.5 сигма) и сероуглерод (2.6 сигма). Невысокая достоверность регистрации водяного пара вызвана не его малым количеством в атмосфере планеты, а наложением полос водяного пара на полосы метана. Аммиак не обнаружен, на его содержание наложен верхний предел в 54 ppm.
- Трансмиссионный спектр теплого мини-нептуна TOI-270 d. Черными квадратами с барами погрешностей показаны результаты измерений, черной линией – наилучший итоговый спектр, цветными линиями показан вклад различных атмосферных газов.
Сравнение полученного трансмиссионного спектра с атмосферными моделями говорит о безоблачной атмосфере и сравнительно высоком содержании в ней тяжелых газов. Среднюю молекулярную массу атмосферы TOI-270 d оценили в 5.5 ± 1.2. Суммарная масса атомов кислорода и углерода в 1.23 ± 0.5 раз превышает массу атомов водорода, хотя по объему (и количеству атомов) водорода больше. Количество метана и углекислого газа примерно одинаково в пределах погрешностей, а водяного пара еще примерно втрое больше. Металличность атмосферы TOI-270 d достигает 225 +98/-86, а отношение C/O составило 0.47 ± 0.19, что совместимо с солнечным значением.
Облака или дымка, если существуют, находятся на уровне давления больше 1 мбар.
По расчетам авторов, 90 ± 4% массы планеты приходится на железокаменное ядро, остальное на воздушную оболочку. 4.3 ± 0.9% массы планеты составляют водород и гелий, 6.0 +3.7/-2.3% – летучие тяжелые элементы (кислород, углерод, азот, сера, инертные газы). Общее количество тяжелых газов (водяного пара, метана, углекислоты, угарного газа, и т.д.) достигает 0.29 +0.17/-0.11 масс Земли.
Источник: https://arxiv.org/pdf/2403.03325.pdf