163
Уявіть собі світ, де поверхня розплавлена, наче метал у доменній печі, а рік триває менше доби. На такій планеті будь-яка атмосфера мала б давно “згоріти” та втекти в космос. Але спостереженням, описаним в Universe Today, астрофізики знаходять парадоксальний результат: лавова суперземля 55 Cnc e все ж має активну, ще й багату на водень атмосферу.
Що відомо коротко
- 55 Cnc e — це суперземля радіусом приблизно 1,88, а масою близько 8 мас Землі.
- Планета обертається навколо зорі-сонцеподібної на відстані лише 41 світловий рік від нас.
- Рік на 55 Cnc e триває близько 0,7 дня, і вона припливно захоплена, тобто одна півкуля завжди звернена до зорі.
- Екстремальна близькість до зорі, ймовірно, розплавляє її поверхню, створюючи лавовий океан на денному боці.
- Дані телескопа Джеймса Вебба вказують на атмосферу з великою кількістю CO, малою кількістю CO₂ і значним вмістом водню.
- Різні спостереження затемнень показують змінність, що може свідчити про активне дегазування та утворення хмар.
Чому воднева атмосфера на лавовій планеті виглядає дивом
Для такої гарячої й близької до зорі планети атмосфера — як тонкий серпанок над розпеченою плитою. Потужне випромінювання та зоряний вітер мали б швидко видувати легкі гази, в першу чергу водень, у міжзоряний простір.
Уявіть чайник без кришки, що стоїть на максимальному вогні: пара (аналог атмосфери) безперервно йде вгору і розсіюється. На лавових екзопланетах “вогонь” у багато разів сильніший, ніж у нашого Сонця на орбіті Меркурія, тож очікувано там не мало б лишатися майже нічого газоподібного.
Саме тому вчені довго припускали, що на подібних світах або немає атмосфери, або вона дуже тонка і важка, без великої кількості легкого водню. Однак 55 Cnc e порушує ці очікування: попри пекельні умови, вона демонструє ознаки воднево-багатої, активної атмосфери.
Як Вебб “бачить” атмосферу 55 Cnc e
Команда астрономів використала космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), щоб відстежити п’ять затемнень 55 Cnc e. Затемнення в цьому випадку — це момент, коли планета проходить за диском своєї зорі й на короткий час зникає з нашого поля зору.
Під час такого проходження телескоп вимірює, скільки теплового випромінювання ми отримуємо від зорі “з планетою” і без неї. Різниця вказує, як саме випромінює сама планета — і її атмосфера, якщо вона є. Це схоже на те, як різниця між звуком оркестру з солістом і без нього дозволяє виділити саме голос соліста.
Дослідники порівняли ці спостереження з теоретичними моделями формування й еволюції екзопланет. Раніше вважалося, що лавові світи повинні мати багато монооксиду вуглецю (CO) та діоксиду вуглецю (CO₂). Натомість найкраще з даними Вебба збіглися моделі, де атмосфера 55 Cnc e містить багато CO, мало CO₂ і значну кількість водню.
Ще одна загадка — дані п’яти затемнень не ідентичні. Зміни між ними можуть означати, що над планетою постійно “кипить” процес утворення та зникнення хмар, які виникають із газів, що виходять із розплавленого надр — процесу, відомого як дегазування.
Магма, атмосфера і “червоний-окс” планети
У статті йдеться, що вторинні атмосфери кам’янистих планет формуються з речовини їхнього інтер’єру та подальшого дегазування. Тобто склад атмосфери напряму пов’язаний із тим, яку хімію має розплавлена мантія, зокрема з її редокс-станом.
Редокс-стан — це баланс між відновленими елементами (як водень або залізо в нижчих ступенях окиснення) та окисненими (як кисень, зв’язаний у оксидах). Спрощено, це як “меню” для газів, що можуть вирватися з магми: якщо всередині багато доступного кисню, в атмосферу легше потрапляють кисневмісні гази; якщо ж кисню мало, перевагу отримують відновлені сполуки і водень.
Моделі, які найкраще пояснюють спостереження 55 Cnc e, вказують на воднево-багату атмосферу з різкими температурними змінами у висоту. Це, своєю чергою, свідчить про те, що її надра мають низьку “кисневість” — тобто відносно мало вільного кисню. Такий “зменшений” магмовий океан активно видихає водень і пов’язані з ним гази в космос.
Дослідники також припускають, що хмари, які утворюються з цього дегазування, здатні тимчасово охолоджувати поверхню, поки подальший потік гарячого газу з надр не “роздує” їх геть. Планета поводиться, наче киплячий казан: кришка-хмари час від часу підстрибує, випускаючи надлишок пари.
Як 55 Cnc e вписується в сімейство лавових світів
55 Cnc e — не єдина лавова екзопланета, але одна з найкраще вивчених. Вона була відкрита ще у 2004 році, а за останнє десятиліття до цього класу приєдналося кілька інших світів. Серед них — K2-141 b, L 98-59 d, TOI-561 b, HD 63433 d та CoRoT-7 b.
Їхні орбітальні періоди коливаються від 6,7 години до 20,4 години, у деяких — трохи довші, до кількох діб. Як і 55 Cnc e, усі вони припливно захоплені своїми зорями, тому одна сторона постійно купається в променях, а інша вічно прихована вночі.
У деяких таких планет, як L 98-59 d, магмовий океан може покривати всю поверхню, подібно до гігантської версії супутника Юпітера Іо, але ще гарячішої. На 55 Cnc e, за оцінками, основні лавові моря зосереджені на зоряній півкулі, тоді як темний бік може бути менш розпеченим.
Іо — чудовий еталон вулканічної активності, але причина там інша: його “розминає” гравітація Юпітера, викликаючи припливне нагрівання. Лавові екзопланети на кшталт 55 Cnc e отримують своє пекло здебільшого від екстремальної близькості до зорі, а не від гравітаційних “масажів”.
Цікаві факти
Орбіта 55 Cnc e у ~0,7 дня контрастує з Меркурієм, якому потрібно 88 днів, щоб зробити один оберт навколо Сонця.
На відміну від Іо, де вулкани розкидані по всій поверхні, деякі лавові екзопланети мають розплавлену лише денну півкулю через припливне захоплення.
Активне дегазування та хмароутворення на 55 Cnc e можуть означати, що її атмосфера постійно народжується наново з магмового океану.
FAQ
Це вже остаточно доведена воднево-багата атмосфера чи лише модель?
Дані телескопа Джеймса Вебба найкраще узгоджуються саме з моделями воднево-багатої атмосфери, але дослідження ще рецензується та уточнюється. Це сильна підказка, а не останнє слово. Подальші спостереження допоможуть перевірити ці висновки й відсіяти альтернативні пояснення.
Чому атмосфера 55 Cnc e досі не втекла в космос?
Ймовірно, річ у тому, що її атмосфера постійно поповнюється газами з розплавленого інтер’єру — процесом дегазування. Це як ванна з відкритою пробкою, у яку безперервно тече вода: частина йде, але рівень може залишатися відносно стабільним завдяки постійному “підживленню” знизу.
Чим відрізняється лавова планета від звичайної гарячої екзопланети?
Гарячі екзопланети можуть мати твердий нагрітий поверхневий шар, тоді як лавові планети настільки перегріті, що їхня кора буквально розплавлена в суцільний магмовий океан. Це суттєво змінює хімію, атмосферу та енергетику таких світів, роблячи їх ближчими до гігантських вулканів, ніж до звичних нам планет.
Як вивчення 55 Cnc e допомагає зрозуміти інші планети, зокрема Землю?
Лавові суперземлі
Лавова суперземля тримає несподівано водневу атмосферу з’явилася спочатку на Цікавості.
