Яркие облака и атмосфера из тяжелых газов у мини-нептуна GJ 1214 b
Категория: ЭкзопланетыНаблюдения транзитного мини-нептуна GJ 1214 b с помощью инструмента MIRI на JWST позволило определить температуры дневного и ночного полушарий планеты, ее альбедо, а также показало, что она окутана плотными яркими облаками.
Владислава Ананьева
Планета GJ 1214 b – первый известный транзитный мини-нептун – была представлена в 2009 году. Ее масса и радиус несколько раз уточнялись и в настоящее время приняты равными 8.17 ± 0.43 и 2.74 ± 0.05 земных масс и радиусов, соответственно. GJ 1214 b вращается по близкой к круговой орбите вокруг тусклого красного карлика GJ 1214 на расстоянии 0.0143 а.е. (14.9 звездных радиусов) и делает один оборот за 1.5804 суток. Равновесная температура планеты в предположении нулевого альбедо и эффективного теплопереноса на ночную сторону составляет 596 ± 16 К.
Планета много раз становилась объектом наблюдений как космических, так и наземных телескопов. Ее трансмиссионный спектр с высокой точностью является плоским (лишенным спектральных деталей), что исключает чистую (безоблачную) атмосферу солнечного химического состава, т.е. преимущественно водородно-гелиевую. Для объяснения плоского спектра GJ 1214 b были предложены две гипотезы: атмосфера планеты состоит из тяжелых газов (например, водяного пара) или же она окутана плотной высотной дымкой. Долгое время ограниченное качество наблюдательных данных не позволяло сделать выбор между этими гипотезами.
11 мая в Архиве электронных препринтов было опубликовано сразу две статьи, посвященные наблюдениям GJ 1214 b с помощью инструмента MIRI на JWST. 20-22 июля 2022 года на протяжении 41 часа «Джеймс Вебб» непрерывно снимал фотометрию GJ 1214 в 14 спектральных каналах в диапазоне 5-12 мкм. Наблюдения начались за 2 часа до запланированного момента вторичного минимума (захода планеты за звезду), охватили транзит, еще один вторичный минимум, и закончились через 1.1 часа после его окончания. Исключительная точность инструмента MIRI позволила снять фазовую кривую GJ 1214 b и определить температуры ее дневного и ночного полушарий.
Температура дневного полушария GJ 1214 b составила 553 ± 9 К, ночного – 437 ± 19 К. Обе величины существенно ниже равновесной температуры GJ 1214 b в предположении нулевого альбедо. Альбедо планеты оказалось равным 0.51 ± 0.06, что сравнимо с альбедо Юпитера (0.53). Еще более яркой в Солнечной системе является только Венера.
Сравнение фазовой кривой с атмосферными моделями показало, что металличность атмосферы GJ 1214 b превышает солнечную в 100-1000 раз (средняя молекулярная масса атмосферных газов больше или равна 15 г/моль). Этого мало – планета окутана облаками с оптической толщиной не менее 10. Таким образом, в каком-то смысле оказались верными обе гипотезы, объясняющие плоский трансмиссионный спектр GJ 1214 b. Эмиссионный спектр обоих полушарий содержит особенность, вероятно, являющуюся наложением полос водяного пара (5-8 мкм), метана и/или циановодорода (7-9 мкм). Достоверность этой детали невысока (чуть больше 3 сигма), поэтому необходимы новые наблюдения.
- Сравнение фазовой кривой GJ 1214 b (показана черной линией) с предсказаниями различных атмосферных моделей. Вверху: модели безоблачной атмосферы с любой металличностью не способны описать наблюдаемую фазовую кривую. Посередине: модели атмосферы 100-кратной металличности с разными вариантами состава аэрозолей (сажа, толины, яркие рассеивающие частицы). Внизу: модели атмосферы с облаками оптической толщиной 10 и разной металличностью атмосферы.
Природа частиц аэрозоля, слагающего облака, пока не ясна. Высокое альбедо планеты требует ярких (белых) частиц, которые могут состоять из хлорида калия KCl или сульфида цинка ZnS, однако теоретикам непросто объяснить их наличие на такой большой высоте. Частицы сажи исключаются, с натяжкой возможны толины, аналогичные толинам из атмосферы Титана. Эта загадка еще ждет своего решения.
- Эмиссионные спектры дневного (слева) и ночного (справа) полушария GJ 1214 b. Черными точками с барами ошибок показаны данные наблюдений, цветными линиями – предсказания различных моделей. Эмиссионные спектры исключают сажу и толины в качестве состава аэрозолей, частицы дымки должны быть очень яркими. Видна спектральная особенность на 5-8 мкм, возможно, связанная с наличием водяного пара.