TRAPPIST-1 c: у аналога Венеры нет венерианской атмосферы
Категория: ЭкзопланетыНаблюдения вторичного минимума планеты TRAPPIST-1 c в лучах с длиной волны 15 мкм с помощью MIRI на борту JWST показало, что эта планета лишена плотной углекислотной атмосферы. Атмосфера на этой планете или разрежена, или в ней мало углекислого газа, или она вовсе отсутствует.
Владислава Ананьева
Чтобы понять причины различий между планетами Солнечной системы, в частности, между Землей и Венерой, необходимо изучать землеразмерные экзопланеты. Только изучение множества объектов одного типа позволяет разделить закономерное и случайное, необходимое и достаточное. Что привело Венеру к ее адскому климату? Всякая ли землеразмерная планета с уровнем освещенности, как на Венере, будет окутана венерианской атмосферой?
Лишь недавно развитие наблюдательной техники позволило подойти к изучению землеразмерных планет у других звезд. Пока наблюдениям доступны только землеразмерные планеты у звезд красных карликов. Настоящим подарком для ученых стало открытие планетной системы TRAPPIST-1, удаленной от нас на 12.1 пк и включающей семь транзитных землеразмерных планет, три из которых попадают в обитаемую зону. Одна из планет этой системы, а именно TRAPPIST-1 c, очень похожа на Венеру по своим размерам и уровню освещенности.
19 июня 2023 года в онлайн-версии журнала Nature вышла статья, посвященная наблюдениям планеты TRAPPIST-1 c с помощью инструмента MIRI на JWST. Авторы пронаблюдали 4 вторичных минимума этой планеты (вторичный минимум – небольшое уменьшение полного блеска системы при заходе планеты за звезду) и определили температуру ее дневного полушария. Сравнение измеренной температуры с предсказаниями атмосферных моделей позволило наложить серьезные ограничения на возможные состав и плотность атмосферы этой планеты.
Наблюдения TRAPPIST-1 c были проведены 27, 30 октября и 6, 30 ноября 2022 года на MIRI с фильтром F1500W, пропускающем инфракрасные лучи с длиной волны 15 ± 3 мкм, в этом диапазоне находится сильная полоса углекислого газа. Если бы TRAPPIST-1 c была окутана плотной углекислотной атмосферой, глубина вторичного минимума оказалась бы очень низкой, возможно, его вообще не удалось бы зафиксировать. Однако глубина вторичного минимума оказалась равной 421 ± 94 ppm, что соответствует яркостной температуре дневного полушария 380 ± 31 К.
Много это или мало?
Если бы планета TRAPPIST-1 c была совершенно черной и лишенной атмосферы, температура ее дневного полушария составила бы 430 К. Если бы она была черной, но действовал механизм эффективного теплопереноса на ночную сторону, делающий на всей планете одинаковую температуру, эта температура была бы равна 340 К. Измеренное значение лежит между этими предельными случаями, что говорит или о некотором теплопереносе, или о высоком альбедо дневного полушария, достигающем 0.57 +0.12/-0.15.
- Сравнение модельных эмиссионных спектров TRAPPIST-1 c при разных предположениях о составе и плотности ее атмосферы. По оси абсцисс отложена длина волны в мкм, по оси ординат –отношение потока излучения планеты к потоку излучения звезды. Красным ромбом с барами ошибок показано измерение MIRI. Плотная углекислотная атмосфера с давлением 10 бар исключается, как и атмосфера с облаками из серной кислоты, подобная атмосфере и облакам Венеры.
Чтобы оценить параметры атмосферы TRAPPIST-1 c, авторы построили сетку моделей атмосферы, состоящей из молекулярного кислорода с примесью углекислого газа. Доля углекислого газа в смеси варьировалась от 1 ppm до 100%, а давление у поверхности – от 100 до 0.01 бар. Предполагалось, что кислород мог накопиться в атмосфере благодаря фотолизу водяного пара и улетучиванию водорода в космос. Также авторы рассчитали модель атмосферы Венеры как с облаками из серной кислоты, так и без них.
Как оказалось, большинство рассчитанных моделей можно исключить – они не согласуются с результатом, полученным MIRI. Чистая углекислотная атмосфера исключается вплоть до давления 0.01 бар, что сравнимо с давлением на поверхности Марса. Допустима кислородная атмосфера с примесью 0.01-0.1% углекислоты с давлением у поверхности 0.1 бар, или кислородная атмосфера с давлением у поверхности 1 бар с примесью 1 ppm углекислоты (однако последний вариант выглядит физически неправдоподобно). Полностью исключаются варианты атмосферы с давлением у поверхности 10 бар и больше, независимо от состава. Наконец, допустимо и полное отсутствие атмосферы при условии, что поверхность TRAPPIST-1 c сложена светлыми горными породами ультраосновного состава (например, оливином, диопсидом, энстатитом, и пр.)
- Сравнение наблюдаемой глубины вторичного минимума TRAPPIST-1 c с предсказаниями моделей кислородно-углекислотной атмосферы. По оси абсцисс отложена доля углекислого газа в газовой смеси, по оси ординат – атмосферное давление у поверхности планеты. Цвет клеток и число в каждой из них показывает разницу между наблюдением и предсказанием соответствующего варианта атмосферной модели в сигма (стандартных отклонениях). Лучше всего с наблюдениями согласуются варианты модели, чьи клетки покрашены светлым, а число в клетке не превышает единицу.
Небольшое количество кислорода в атмосфере TRAPPIST-1 c позволяет наложить верхний предел на количество воды, которое эта планета захватила из протопланетного диска. Авторы нашли, что на TRAPPIST-1 c воды было не больше 4.0 +1.3/-0.8 земных океанов. Даже в наиболее консервативном случае (в предположении, что доля углекислоты в газовой смеси составляет только 1 ppm) на TRAPPIST-1 c было не больше 9.5 +7.5/-2.3 земных океанов.
Вероятно, остальные планеты этой системы, в том числе планеты, попадающие в обитаемую зону, также были не слишком обогащены летучими элементами.
Источник: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z__