Астрономы нашли водородную атмосферу на раскаленной суперземле 55 Рака е

55 Рака е расположена на расстоянии примерно 41 светового года от Земли и обращается вокруг родительской звезды всего за 17,7 часа. Из-за экстремальной близости к светилу поверхность этого мира нагревается до температур, способных плавить горные породы, превращая значительную часть внешнего слоя в гигантский океан магмы. Такие объекты называют лавовыми планетами.

Неожиданный состав атмосферы

Исследователи давно подозревали, что 55 Рака е обладает атмосферой, однако ее состав и поведение оставались предметом споров. Предыдущие наблюдения, выполненные с помощью космической обсерватории «Джеймс Уэбб», показали, что тепловое излучение планеты со временем заметно меняется, а в атмосфере могут присутствовать углеродсодержащие газы.

Международная исследовательская группа повторно проанализировала пять наборов данных «Уэбба». Данные при этом использовали в полном спектральном разрешении, а не в усредненном виде, как это делали раньше. Подход позволил искать не широкие спектральные особенности, а отдельные молекулярные линии. Для этого ученые применили метод кросс-корреляции, который усиливает слабые сигналы от множества спектральных линий одной и той же молекулы.

В одном из пяти наблюдений выявили очень сильный сигнал монооксида углерода (CO) с достоверностью около восьми сигм — это уровень, практически исключающий случайное происхождение сигнала. Еще в двух наблюдениях были более слабые намеки на присутствие того же газа. В остальных наблюдениях сигнал либо отсутствовал вовсе, либо был много слабее. Интересно, что CO зафиксировали не в поглощении, а в излучении. Обычно это означает, что верхние слои атмосферы горячее нижних.

Модели и необычная изменчивость

Чтобы воспроизвести такой эффект в компьютерных моделях, астрономам пришлось предположить существование очень сильной температурной инверсии — перевернутого температурного профиля, при котором температура резко возрастает на высоте нескольких миллибар. Правда, даже такие экстремальные модели с трудом объясняли наблюдаемую силу сигнала. Атмосфера также должна была содержать чрезвычайно мало углекислого газа (CO₂). Расчеты показали, что его содержание должно быть как минимум в тысячу раз ниже концентрации монооксида углерода. В противном случае линии CO были бы скрыты более сильным сигналом CO₂.

Наиболее подходящими оказались модели атмосферы, богатой водородом. В таких условиях легче формируются резкие температурные инверсии, а химическое равновесие естественным образом смещается в сторону образования CO вместо CO₂. Это, по мнению авторов статьи, может указывать на химически восстановленное состояние магматического океана внутри планеты, из которого постоянно выделяются газы.

Изменчивость сигнала была не менее интригующей. Атмосфера 55 Рака е может находиться в состоянии постоянных перестроек. Одно из возможных объяснений связано с периодическими выбросами газов из магматического океана. Другая гипотеза предполагает существование цикла «выделение газа — образование облаков»: выброшенное вещество формирует облака, которые охлаждают поверхность и временно подавляют дальнейшее газовыделение. После рассеивания облаков процесс начинается заново. Также нельзя исключать влияние мощных атмосферных потоков или даже частичного истечения атмосферы в космос под воздействием излучения звезды.

Пока ученые не могут однозначно определить, какой именно механизм отвечает за наблюдаемое поведение атмосферы. В будущем астрономы намерены изучить этот мир с помощью наземного инструмента METIS на Очень большом телескопе (ELT). Его возможности, по оценкам, позволят точнее отслеживать изменения атмосферы 55 Рака е. Результаты научной работы опубликованы на сервере препринтов Корнеллского университета.