Космическият телескоп Джеймс Уеб търси атмосфера около каменистата екзопланета TRAPPIST-1 c

Въпреки че много звезди с малка маса са сравнително студени, в течение на дълъг период от своето съществуване те изпитват силни звездни ветрове и интензивна ултравиолетова радиация. Поради това те могат потенциално да повредят и унищожат атмосферите на своите планети.

Изследователски екип, ръководен от Института по астрономия „Макс Планк“, наскоро си зададе въпроса дали TRAPPIST-1 c, една от седемте скалисти планети в системата около звездата TRAPPIST-1, би могла да избегне тази съдба, запазвайки значително количество атмосфера. Гравитационното привличане на повърхността на планетата, което е с 10% по-голямо от това на Земята, би трябвало да спомогне за запазването на атмосферата ѝ. Подобно на Венера, диаметърът и масата на TRAPPIST-1 с съвпадат с тези на Земята. Освен това излъчването, което тя получава от своята централна звезда, е почти идентично с това, което получава Венера.

С помощта на Джеймс Уеб екипът търси атмосфера на TRAPPIST-1 c, но се оказа, че тя силно се различава от атмосферата на Венера. Анализът на топлината, излъчвана от планетата, показва, че тя би могла да има само разредена атмосфера с минимално количество въглероден диоксид. Това измерване обаче съответства и на една безплодна, скалиста планета без значителна атмосфера.

TRAPPIST-1 c не прилича на Венера

Задачата да се определят характеристиките на атмосферите на скалисти планети с размерите на Земята е предизвикателство дори за космическия телескоп Джеймс Уеб. Затова екипът комбинира наблюденията на Уеб с компютърни модели, за да открие най-вероятния диапазон от атмосферни свойства, които да съответстват на данните.

Обемът, налягането и съставът на атмосферата определят температурата на планетата в зависимост от светлината, която тя получава от своята звезда. И обратното, температурата определя количеството инфрачервена светлина, която планетата излъчва. По този начин инфрачервените измервания, съчетани със съвременни компютърни модели, дават представа за атмосферата и нейния състав.

TRAPPIST-1 безспорно остава най-добрият кандидат за изучаване на атмосферите на скалистите планети от земен тип, които обикалят около звезда тип червено джудже. Около нея обикалят седем скалисти планети с размерите на Земята, три от които се намират в обитаемата зона. Въпреки това TRAPPIST-1 c не е една от тези планети. Лора Крейдберг, ръководител на програмата за наблюдение на JWST, съавтор и директор на MPIA, каза:

„Със сигурност можем да изключим наличието на плътна атмосфера, подобна на тази на Венера“.

Противно на очакванията на астрономите, температурата на TRAPPIST-1 c достига „само“ 110 градуса по Целзий, което е с 390 градуса по-ниско, отколкото на Венера. Инфрачервената светлина, излъчвана от екзопланетата, също не съответства на венерианската атмосфера, която е богата на въглероден диоксид и предизвиква силен парников ефект. Данните на Уеб също така показват, че налягането на повърхността силно се различава от това на Земята.

А ако има разредена атмосфера?

За да проучат възможността TRAPPIST-1 c да има много тънка газова обвивка, изследователите изчислиха статистическата вероятност на редица атмосферни параметри, за да се опитат да извлекат тези, които се появяват от експерименталните наблюдения. Атмосферният математически модел прогнозира различни стойности на повърхностното налягане и атмосферен състав, доминиран от кислород и различни примеси на въглероден диоксид.

Всъщност горещите скалисти планети, които обикалят около звезди с неголяма маса като TRAPPIST-1 c, се очаква да имат атмосфери, съдържащи предимно въглероден диоксид и водна пара, само в началото на еволюцията си, докато с течение на времето звездното облъчване разделя водата на водород и кислород. И докато силно летливият водород постепенно изтича в пространството, по-тежките кислородни молекули остават, създавайки богата на кислород атмосфера със следи от въглероден диоксид.

Моделът, съответстващ на тази хипотеза, е съвместим с широк диапазон от смеси и повърхностни налягания между 1% и 100% от нивото на морското равнище на Земята. Този резултат дава надежда, че TRAPPIST-1 c и други доста тежки скалисти планети около студени звезди с малка маса могат да поддържат атмосфера през значителна част от звездния си живот, тъй като звездата TRAPPIST-1 е поне толкова стара, колкото Слънцето.

Но тези резултати трябва да бъдат проверени с допълнителни данни. Наблюденията на тънките атмосфери на скалистите планети принуждават телескопа Джеймс Уеб да работи до границите на възможностите си, тъй като получените сигнали са много слаби, а много от свойствата са все още неизвестни, което води до големи неопределености.

Причината за затрудненията е, че TRAPPIST-1 c, освен че е много малка, е подложена на приливно блокиране, което означава, че тя постоянно е обърната с една и съща страна към своята централна звезда. Това води до наличието на две различни полукълба, едното от които винаги е осветено през деня, а другото е потопено във вечна нощ. Планетата обикаля около звездата по такъв начин, че денят и годината продължават около 2,42 земни дни.

По време на половин оборот на TRAPPIST-1 c звездата я закрива напълно, което я прави невидима за нашите телескопи в продължение на половин час. Единствено малко преди и след като планетата се скрие, се вижда нейната топла, напълно осветена дневна страна. Това е сигналът, който изследователският екип е търсил, въпреки че наличието на тънка атмосфера би било едва забележимо.

Необходими са допълнителни наблюдения на Уеб, за да се направи разграничение между обикновената скалиста планета и тази с тънка атмосфера. Друга възможност е да се направят подобни наблюдения с изключително големия телескоп (ELT) – 39-метровият телескоп на ESO, разположен в пустинята Атакама, който трябва да започне да функционира до края на десетилетието. Благодарение на своята чувствителност ELT би могъл да предостави решаващия ключ за потвърждаване (или окончателно опровергаване) на наличието на атмосфера около TRAPPIST-1 c.