Обнаружен прото-суб-нептун с бедной металлами атмосферой и горячими недрами

Астрономы охарактеризовали атмосферу молодой (20 млн лет) транзитной экзопланеты и обнаружили, что она необычно прозрачная и "пухлая". Анализ особенностей атмосферы позволил точно измерить массу планеты, превзойдя традиционные динамические методы, такие как метод лучевых скоростей, который плохо работает с такими активными молодыми звездами. Выяснилось, что V1298 Tau b — это прото-суб-нептун, всё ещё горячий и раздутый после недавнего формирования.

Команда под руководством Саугаты Барата (MIT, США) и его научного руководителя Жан-Мишеля Дезера (Амстердамский университет, Нидерланды) использовала космический телескоп "Джеймс Уэбб" для изучения очень молодой планеты. Результаты приняты к публикации в Astrophysical Journal и доступны на сервере препринтов arXiv.

Возраст V1298 Tau b составляет всего 10–30 млн лет, и у неё необычно прозрачная и раздутая атмосфера. Астрономы обнаружили сильные сигналы поглощения от таких молекул, как водяной пар, метан, диоксид углерода, монооксид углерода, и даже намёки на сложные фотохимические процессы, такие как возможные обнаружения диоксида серы (SO₂) и карбонилсульфида (OCS).

Бедная металлами

Несмотря на богатый спектр, атмосфера удивительно бедна металлами — примерно в 100 раз менее обогащена, чем у зрелых суб-нептунов. Это говорит о том, что она всё ещё эволюционирует и со временем может стать богаче металлами. Ещё одним сюрпризом стало то, что на планете обнаружено в 100 раз меньше метана, чем ожидалось, что может быть результатом экстремального внутреннего тепла и сильного вертикального перемешивания в атмосфере.

Такие высокие внутренние температуры не соответствуют стандартным моделям термической эволюции планет размером с суб-нептун, бросая вызов современному пониманию их формирования и ранней эволюции. Эти результаты настоятельно мотивируют дальнейшие исследования молодых планетных атмосфер, чтобы изучить, как их состав меняется со временем.

Атмосфера V1298 Tau b, вероятно, не является хорошо перемешанной и может иметь градиенты металличности, подобные тем, что предполагаются у газовых гигантов Солнечной системы. Это может естественным образом объяснить как её низкую наблюдаемую металличность, так и высокое внутреннее тепло, согласовав наблюдения с существующими моделями формирования и эволюции.

Суб-нептуны

Барат говорит: "Мы обнаружили, что у V1298 Tau b атмосфера гораздо более прозрачная и бедная металлами, а недра — более горячие, чем показывали предыдущие наблюдения суб-нептунов. Это говорит о том, что эволюционные процессы всё ещё разворачиваются и потенциально могут изменить состав атмосферы этой планеты с возрастом".

Барат продолжает: "Наблюдения на JWST были необходимы для точного определения массы и состава атмосферы, поскольку они дали нам доступ к множеству особенностей молекулярного поглощения (H₂O, CH₄, SO₂, CO₂, CO) в ближнем инфракрасном диапазоне".

Больше молекул

Основываясь на предыдущих наблюдениях "Хаббла", команда надеялась увидеть водяной пар в атмосфере планеты и, возможно, метан. Но с помощью JWST им удалось не только измерить содержание этих двух молекул, но и других углеродсодержащих молекул (CO и CO₂), а также фотохимических продуктов, таких как SO₂ и OCS. Дезер говорит: "Когда писался этот проект наблюдений, ни одна из этих молекул, кроме воды, не была уверенно обнаружена с помощью низкоразрешающей спектроскопии с космических аппаратов".

"В целом, эти открытия бросают вызов нашему пониманию того, как формируются и эволюционируют планеты-суб-нептуны. Мы показали, что на самых ранних этапах эти планеты обладают атмосферами, которые значительно отличаются от атмосфер их зрелых миллиардолетних собратьев", — заключает Дезер.

После получения результатов по V1298 Tau b команда теперь (в качестве соисследователей) участвует в крупной программе JWST Цикла 3, которая будет изучать семь молодых транзитных планет в возрасте от 20 до 200 млн лет, чтобы увидеть, как состав атмосферы меняется с возрастом.