У суперземли LHS 1140 b, находящейся в обитаемой зоне, скорее всего, азотная атмосфера
Категория: ЭкзопланетыПлоский трансмиссионный спектр суперземли LHS 1140 b исключает водородную атмосферу даже с металличностью, равной 100. Атмосфера планеты должна состоять из азота, углекислого газа или их смеси, при этом водная мантия образует жидкий океан с умеренными температурами на поверхности.
Владислава Ананьева
Суперземля LHS 1140 b была представлена в 2018 году. По последним данным, ее масса составляет 5.6 ± 0.2 масс Земли, радиус – 1.73 ± 0.03 радиусов Земли, что приводит к средней плотности 5.9 ± 0.3 г/куб.см. На диаграмме «Масса – Радиус» планета лежит чуть выше линии силикатов, что говорит о том, что она должна содержать некоторое количество летучих – или водорода с гелием, или воды. Поскольку температурный режим планеты близок к температурному режиму Марса, ее атмосфера не может состоять из водяного пара – последний должен конденсироваться в облака. Обилие воды при отсутствии существенного количества водорода должно приводить к наличию атмосферы из тяжелых газов – азота и/или углекислоты.
21 марта 2024 года в Архиве электронных препринтов появилась статья, посвященная наблюдениям LHS 1140 b на спектрографе NIRSpec на JWST. Авторы пронаблюдали два транзита планеты в лучах с длиной волны от 1.665 до 5.175 мкм. Диапазон был разбит на 65 спектральных каналов. Полученный таким образом трансмиссионный спектр сравнивали с предсказаниями различных атмосферных моделей: чисто водородной атмосферы с облаками, азотной атмосферы с облаками, а также водородной и азотной атмосферы с добавлением водяного пара, аммиака, угарного и углекислого газов.
Трансмиссионный спектр LHS 1140 b оказался почти плоским. Это делает вариант азотной атмосферы гораздо более вероятным, чем водородной. В трансмиссионном спектре водородной атмосферы были бы видны сильные полосы метана и углекислого газа, чего явно не наблюдается. Конечно, плоский трансмиссионный спектр могут обеспечить и высотные облака, но в случае LHS 1140 b эти облака должны располагаться на высоте выше 6 мбар. Непонятно, из какого вещества они могут состоять – ожидаемые водяной лед и гидросульфид аммония должны конденсироваться гораздо глубже в атмосфере – на уровне давления ~100 мбар и температуре около 200 К, а аммиак в атмосфере LHS 1140 b вообще не конденсируется. В целом, авторы нашли, что преимущественно азотная атмосфера лучше воспроизводит наблюдаемый трансмиссионный спектр, чем преимущественно водородная, с достоверностью ~3 сигма. Впрочем, доля углекислоты в атмосфере LHS 1140 b остается неизвестной.
- Трансмиссионный спектр LHS 1140 b (показан черными точками с барами ошибок) и его сравнение с различными атмосферными моделями. Вверху: сравнение полученного спектра с моделью водородной атмосферы с металличностью 1, 10 и 100 относительно солнечной, а также моделью водородной атмосферы над водным океаном (гикеанский мир). Внизу: сравнение полученного спектра с моделями атмосферы из азота и углекислого газа.
Раз водородная атмосфера маловероятна, сравнительно низкая средняя плотность LHS 1140 b должна объясняться наличием в составе планеты ~10% воды. Если атмосфера не слишком глубока, эта вода образует жидкий океан. Так, при давлении 2.2 атмосфер температура на поверхности океана составит 310 К в случае азотной атмосферы с добавлением 10% углекислого газа, и 340 К в случае углекислотной атмосферы с добавлением 10% азота. Авторы отмечают, что формирование клатратов из углекислоты и воды препятствует наличию углекислотной атмосферы с давлением больше ~10 бар – лишний углекислый газ будет растворяться в океане и выпадать на дно клатратами.
Какова же доля углекислоты в составе атмосферы LHS 1140 b? Авторы нашли, что для ответа на этот вопрос надо пронаблюдать еще как минимум 9 транзитов планеты. Плотная углекислотная атмосфера формирует полосу поглощения вблизи 4.2 мкм глубиной около 20 ppm, которую можно будет выявить, лишь накапливая данные.
Источник: https://arxiv.org/pdf/2403.13265.pdf