Atmosfera gorącego subneptuna okazała się przejrzysta jak szkło

Korzystając z Obserwatorium Kosmicznego Jamesa Webba, astronomowie po raz pierwszy zajrzeli do wnętrza atmosfery gorącego subneptuna TOI-421 b, znajdującego się około 244 lat świetlnych od Ziemi. Jest to znacząca zmiana: większość atmosfer takich światów jest spowita mgłą, która przesłania linie widmowe i utrudnia obserwacje.

Planety o rozmiarach pomiędzy Ziemią i Neptunem, czyli subneptuny, należą do najpowszechniejszych w Galaktyce. W Układzie Słonecznym nie ma takich światów, dlatego astronomowie badający egzoplanety poświęcają im dużo uwagi. Rzeczywiście, trudno je badać: aerozole w atmosferach takich planet maskują ślady substancji chemicznych.

Większość badanych subneptunów, takich jak GJ 1214b charakteryzujący się gęstą mgłą czy TOI-270 d charakteryzujący się wysoką metalicznością (astronomowie nazywają metalami wszystkie pierwiastki cięższe od helu), krąży wokół chłodnych gwiazd. Ich temperatury równowagowe (czyli ignorujące efekt cieplarniany) wahają się od 7°C (K2-18 b) do 347°C (GJ 9827d), choć w przypadku mglistych subneptunów temperatury zwykle mieszczą się w zakresie 7–527°C.

Na przykład, w innych badaniach wspomniano, że egzoplaneta GJ 9827d jest bogata w metale, a niedawno odkryto, że K2-18 b zawiera siarczek dimetylu, cząsteczkę związaną z życiem na Ziemi, ale jej pochodzenie na innych planetach pozostaje niejasne.

TOI-421 b znacznie różni się od swoich „braci”: temperatura powierzchni tego globu sięga 727°C (1340°F), a pełen obieg wokół gwiazdy podobnej do Słońca pokonuje on w ciągu 5,2 dnia. Jest to najgorętszy subneptun zbadany dotychczas przez Webba, a jego atmosfera jest krystalicznie czysta.

Po raz pierwszy udało się go szczegółowo „zbadać” za pomocą zainstalowanych na pokładzie Webba przyrządów NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) oraz NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph): uzyskane widmo w zakresie 0,83–5 mikrometrów pozwoliło potwierdzić brak mgiełki aerozolowej, typowej dla subneptunów, a dzięki przejrzystej, szklanej atmosferze udało się dokładnie zmierzyć zawartość pary wodnej.

Badacze wyjaśniają, że wybrali tę planetę do obserwacji, ponieważ wcześniejsze dane sugerowały, że planety w pewnym zakresie temperatur mogą mieć mniej mgły lub chmur niż inne. Naukowcy przypuszczali, że próg temperaturowy wynosi około 577°C (1070°F) - poniżej tej wartości metan reaguje ze światłem gwiazdy, tworząc mgłę. Ponieważ TOI-421 b jest znacznie gorętszy, nie powinien mieć metanu, a co za tym idzie - mgiełki w atmosferze. Teleskopu Webba potwierdził te przypuszczenia.

Astronomowie doszli do wniosku, że atmosfera subneptuna składa się głównie z wodoru i helu o niskiej masie cząsteczkowej – niemal takiej samej jak jego gwiazda macierzysta. Naukowcy nie wykryli jednak śladów metanu (CH₄) i dwutlenku węgla (CO₂), a słabe oznaki tlenku siarki (SO₂) i tlenku węgla (CO) wykryte przez NIRSpec wymagają potwierdzenia ze względu na zaszumione dane (NIRISS dał jednak jednoznaczne wyniki).

W atmosferze TOI-421 b zidentyfikowano cechy widmowe przypisywane różnym gazom, co pozwoliło określić jej skład. W przeciwieństwie do innych badanych wcześniej subneptunów, których atmosfery są blokowane przez mgłę, w tym przypadku naukowcy mogli bezpośrednio obserwować skład chemiczny.

Lekka atmosfera zdominowana przez wodór była dużym zaskoczeniem dla badaczy. Wcześniejsze obserwacje subneptunów przez Webba wskazywały na atmosfery bogate w ciężkie cząsteczki, a tym razem odkryto coś przeciwnego.

Obliczenia wykazały, że TOI-421 b posiada stałe jądro zbudowane z żelaza i skały, otoczone cienką powłoką z wodoru, helu i niewielkiej ilości wody. Świadczy to o istnieniu pierwotnej atmosfery, która uformowała się wraz z planetą i przetrwała pomimo intensywnego promieniowania gwiazdowego.

Kolejną cechą wyróżniającą TOI-421 b jest to, że krąży wokół gwiazdy podobnej do Słońca, podczas gdy większość wcześniej obserwowanych subneptunów odkryto wokół mniejszych i chłodniejszych czerwonych karłów. Skład atmosfery tej planety odzwierciedla skład jej gwiazdy macierzystej. Ten proces formowania bardziej przypomina powstawanie gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym niż innych dotychczas obserwowanych subneptunów.

Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters, potwierdzają istniejące teorie dotyczące powstawania subneptunów, w tym model „doliny promieni” – luki wielkości między skalistymi superZiemiami a gazowymi subneptunami. Model ten wyjaśnia, dlaczego niektóre światy tracą powłoki wodorowe i stają się superziemiami, podczas gdy TOI-421 b je zachowuje.

Naukowcy sugerują również, że środowisko gwiazdy odgrywa kluczową rolę w powstawaniu i ewolucji takich planet. Dalsze obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pomogą ustalić, czy TOI-421 b jest wyjątkiem, czy może reprezentantem szerszej klasy gorących subneptunów krążących wokół gwiazd podobnych do Słońca.