Новые исследования показывают, как облака формируют внутреннее строение субнептунов

Астрономы на сегодняшний день подтвердили существование 6,324 экзопланет в 4,738 звёздных системах, и десятки тысяч ожидают своего подтверждения. Субнептуны, класс планет, находящихся между Землёй и Нептуном по массе, составляют одну из самых распространённых категорий в учёте экзопланет, с 2,182 подтверждёнными открытиями. Тем не менее, о внутреннем строении этих загадочных планет известно очень мало.

Иллюстрация, сравнивающая размеры экзопланет субнептунов TOI-421 b и GJ 1214 b с Землёй и Нептуном. Источник: NASA/ESA/CSA/Dani Player (STScI)

Ученые особенно интересуются их внутренним составом. Существует предположение, что у них могут быть скалистые ядра, окружённые атмосферой, богатой водородом, или же они могут содержать много летучих веществ, включая большие объёмы воды и углеродсодержащих молекул. Используя данные с Космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), группа астрономов из Университета штата Аризона (ASU) обнаружила интересную взаимосвязь между атмосферами этих планет и условиями в их глубинах.

Исследование возглавил Сагник Мукерджи, постдокторант программы 51 Pegasi b в Школе Земли и космических исследований ASU. В его команде были Мэтью С. Никсон, также постдокторант программы 51 Pegasi b, аспирант Джеймс Манг из Техасского университета в Остине, а также исследователи из Центра исследований Ames NASA и Института SETI. Их результаты были недавно опубликованы в Astrophysical Journal Letters.

JWST обладает мощностью и чувствительностью для изучения атмосфер субнептунов, однако он может видеть только верхние слои атмосферы планет. Задача астрономов заключается в том, чтобы связать верхнюю атмосферу с внутренними условиями, что затрудняется наличием облаков. Если облака образуются высоко в атмосфере планеты, они могут затенять химический состав, находящийся ниже. Используя детализированные компьютерные модели, Мукерджи и его коллеги установили, что эти облака активно формируют физические условия в недрах планет.

Команда обнаружила, что облака, состоящие из парообразованных камней и солей, могут образовываться глубоко в атмосферах субнептунов, создавая термальную завесу, которая удерживает тепло внутри. На основе своих моделей они выяснили, что облака могут повышать температуру в нижних слоях атмосферы более чем на 1,000 °C (1,832 °F), одновременно охлаждая верхние слои. Это температурное изменение простирается до границы между атмосферой и подлежащим внутренним слоем.

Эта иллюстрация художника показывает K2-18b, который может быть самым известным субнептуном. Источник: ESA/Hubble/M. Kornmesser

Модели команды показали, что для двух субнептунов, GJ 1214 b и TOI-1231 b, добавленное тепло было достаточным для плавления скалистого ядра, что потенциально создало бы магматический океан. "Среди субнептунов, которые в настоящее время исследуются с помощью JWST, нас удивило, что нагрев, вызванный облаками, может повышать температуру на границе атмосферы и внутреннего слоя планеты примерно на 1,400 до 2,600 градусов Цельсия," — заявил Мукерджи.

Как и вулканическая активность на Земле, магматические океаны в недрах этих планет, вероятно, будут обмениваться газами между скалистыми внутренними слоями и их внешними атмосферами. Нагрев будет вызывать выделение газов (таких как кислород), гидрида кремния и оксида кремния в атмосферу. В то же время летучие вещества, такие как метан, водяной пар и аммиак, будут поглощаться в магматический океан. Это означает, что атмосферы планет загрязняются событиями, происходящими глубоко в их недрах, степень которых напрямую зависит от облачности атмосферы.

Это создаёт серьёзную проблему для учёных, интерпретирующих данные JWST. Фактически, облака, образованные магматическими океанами, могут искажать сигналы, которые получает Уэбб, что означает, что химические элементы, которые он обнаруживает в атмосфере субнептуна, не отражают общего состава планеты. Астрономы традиционно рассматривали облака как препятствие, подавляющее спектральные сигнатуры, которые показывают, из чего состоит планета.

Более того, облака в атмосфере субнептуна управляют тепловыми и охлаждающими процессами, которые изменяют их внутреннее строение и влияют на то, как они сжимаются и остывают со временем, что сказывается на их текущих размерах и внутреннем тепле. Это особенно важно, учитывая, что субнептуны становятся потенциальными кандидатами на обитаемость (при определённых условиях). Для прояснения этой возможности учёным необходимо получить чёткое представление о их поверхностях и внутренних структурах.

Это исследование подчеркивает, как важно понимать роль облаков в формировании свойств внутренних слоёв планет. "Интерпретация наблюдений JWST субнептунов особенно сложна из-за сложной взаимосвязи между атмосферой и внутренними слоями," — отметил соавтор Луис Уэлбэнкс, ассистент профессора в SESE. "Эта работа приближает нас к ответу на вопрос о том, из чего состоят эти загадочные миры.