MNRAS: Раскрыты секреты "горячего Сатурна" и его пятнистой звезды

Группа астрономов под руководством ученых из Института исследований экзопланет имени Троттье (iREx) Монреальского университета использовала возможности революционного космического телескопа имени Джеймса Уэбба, или JWST, для изучения экзопланеты HAT-P-18 b, похожей на горячий Сатурн.

Результаты исследования, опубликованные в прошлом месяце в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, дают полное представление об атмосфере HAT-P-18 b и одновременно решают сложную задачу отличия сигналов ее атмосферы от активности ее звезды.

HAT-P-18 b находится на расстоянии более 500 световых лет от Земли, имеет массу, схожую с массой Сатурна, но по размерам ближе к крупной планете Юпитер. В результате экзопланета обладает «слоеной» атмосферой, которая особенно идеально подходит для анализа.

Прохождение над пятнистой звездой

Наблюдения с помощью JWST были сделаны в тот момент, когда HAT-P-18 b проходила перед своей звездой, похожей на Солнце. Этот момент называется транзитом и имеет решающее значение для обнаружения и дальнейшей характеристики экзопланет с расстояния в сотни световых лет с удивительной точностью.

Астрономы не наблюдают свет, излучаемый непосредственно далекой планетой. Скорее, они изучают, как свет центральной звезды блокируется и подвергается влиянию планеты, вращающейся вокруг нее, и поэтому должны попытаться отделить сигналы, вызванные присутствием планеты, от сигналов, вызванных собственными свойствами звезды.

Как и наше Солнце, звезды не имеют однородной поверхности. У них могут быть темные звездные пятна и яркие области, которые могут создавать сигналы, имитирующие атмосферные атрибуты планеты. В недавнем исследовании экзопланеты TRAPPIST-1 b и ее звезды TRAPPIST-1 под руководством докторанта Удэма Оливии Лим наблюдалось извержение, или вспышка, на поверхности звезды, что повлияло на результаты наблюдений.

В случае с планетой HAT-P-18 b Уэбб поймал экзопланету как раз в тот момент, когда она проходила над темным пятном на своей звезде HAT-P-18. Это событие называется пересечением пятен, и его эффект был очевиден в данных, собранных для нового исследования. Команда iREx также сообщила о наличии множества других звездных пятен на поверхности HAT-P-18, которые не были заслонены экзопланетой.

Чтобы точно определить состав атмосферы экзопланеты, исследователям пришлось одновременно моделировать как атмосферу планеты, так и особенности ее звезды. В своем исследовании они отмечают, что такой учет будет иметь решающее значение при проведении будущих наблюдений за экзопланетами с помощью «Уэбба», чтобы полностью использовать их потенциал.

Мы обнаружили, что учет звездного загрязнения предполагает существование пятен и облаков вместо дымки и позволяет получить данные о содержании водяного пара почти на порядок ниже, — говорит ведущий автор исследования Мэрилу Фурнье-Тондро (Marylou Fournier-Tondreau).

Таким образом, учет звезды-хозяина системы имеет большое значение.

Благодаря канадскому прибору NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), обеспечивающему более широкий охват длин волн в области видимого света, мы впервые четко разделили признаки дымки и звездных пятен.

H2O, CO2 и облака в палящей атмосфере

После моделирования экзопланеты и звезды в системе HAT-P-18 астрономы iREx провели тщательный анализ состава атмосферы HAT-P-18 b. Изучая свет, проходящий через атмосферу экзопланеты при прохождении через звезду-хозяина, исследователи обнаружили присутствие водяного пара (H₂O) и углекислого газа (CO₂).

Исследователи также обнаружили возможное присутствие натрия и заметили явные признаки облачного слоя в атмосфере HAT-P-18 b, который, по-видимому, заглушает сигналы многих молекул, обнаруженных в ней. Они также пришли к выводу, что поверхность звезды покрыта множеством темных пятен, которые могут существенно повлиять на интерпретацию данных.

Более ранний анализ тех же данных JWST, проведенный командой из Университета Джонса Хопкинса, также показал четкое обнаружение воды и CO₂, но при этом сообщил об обнаружении мелких частиц на больших высотах, называемых дымкой, и нашел намеки на метан (CH₄). Астрономы iREx рисуют другую картину.

Обнаружение CH4 не было подтверждено, а количество воды, которое они определили, оказалось в 10 раз меньше, чем было обнаружено ранее. Они также обнаружили, что обнаруженные в предыдущем исследовании дымки могут быть вызваны звездными пятнами на поверхности звезды, что подчеркивает важность учета звезды в анализе.

Может ли экзопланета поддерживать жизнь? Маловероятно. Хотя такие молекулы, как вода, углекислый газ и метан, в определенных соотношениях или в сочетании с другими молекулами могут рассматриваться как биосигнатуры, или признаки жизни, палящие температуры HAT-P-18 b, близкие к 600 градусам Цельсия, не сулят ничего хорошего для обитаемости планеты.

Будущие наблюдения с помощью другого прибора JWST — спектрографа ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) — обещают помочь уточнить результаты работы команды, например, обнаружение CO₂, и пролить еще больше света на все тонкости этой горячей экзопланеты Сатурна.

09.01.2024