Астрономы отыскали потенциальный «паровой мир»

Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» определил, что атмосфера субнептуна GJ 9827d богата металлами и водяным паром, что вписывается в модель «парового мира». Массовая доля воды на экзопланете может составлять от 20 до 40 процентов общей массы. Статья опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Субнептуны — это экзопланеты радиусом более 1,6–2 радиусов Земли, но меньше радиуса Нептуна, и обладают низкой объемной плотностью. Традиционная модель субнептуна включает ядро из горных пород и льдов и оболочку, содержащую большое количество водорода, а также гелий. Однако модели внутреннего строения субнептунов, подходящие под их наблюдаемую расчетную плотность, могут быть разнообразными и включать в себя также холодные гикеаны, обладающие слоем жидкой воды или льда и атмосферой из водорода и гелия, или более теплые «паровые миры» (steam world), богатые летучими веществами с высоким средним молекулярным весом, на уровне несколько десятков процентов от массы планеты. На таких объектах слои воды или летучих веществ могут находиться в сверхкритическом состоянии и смешиваться с водородом.

Понимание возможных вариаций субнептунов важно для описания механизмов их формирования и эволюции. В частности, «долина субнептунов» (или «зазор Фултона»), выглядящая как провал в распределении экзопланет между популяциями скалистых суперземель и богатыми летучими веществами мини-нептунов, может быть связана с потерей атмосферы субнептунами.

Группа астрономов во главе с Кэролайн Пиоле-Горайеб (Caroline Piaulet-Ghorayeb) из Монреальского университета опубликовала результаты спектроскопических наблюдений за экзопланетой GJ 9827d при помощи инструмента NIRISS/SOSS «Джеймса Уэбба» во время двух событий транзита экзопланеты по своей звезде в ноябре 2023 года.

GJ 9827d обращается вокруг близкого (97,8 светового года) активного красного карлика и ранее считалась необычной по составу суперземлей. Она обладает радиусом 1,98 радиуса Земли, а ее расчетная объемная плотность подходит под модели с внешней оболочкой, состоящей из водорода и гелия или летучих веществ в сверхкритическом состоянии, и мало вписывается в скалистое безатмосферное тело. Равновесная температура экзопланеты составляет 620 кельвин, масса — 3,02 массы Земли, уровень облучения в 34,9 раза превосходит поток, получаемый Землей от Солнца, орбитальный период — 6,2 дня. Наблюдения «Хаббла» ранее находили признаки водяного пара в атмосфере.

Исследователи достоверно обнаружили в атмосфере GJ 9827d обилие водяного пара, для других молекул летучих соединений были получены верхние пределы. Атмосфера характеризуется большой металличностью и не показывает утечки гелия и водорода. Все это вписывается в модель «парового мира», где атмосфера содержит на уровне десятков массовых процентов летучие вещества с высоким средним молекулярным весом. В случае GJ 9827d атмосфера будет хорошо перемешанной по составу, с переходом от газовой фазы к сверхкритической, без конденсации воды в атмосфере или вблизи поверхности. Оболочка из воды поверх твердого ядра из горных пород и железа может составлять от 20 до 40 процентов общей массы планеты.

Такой объект мог сформироваться, если изначально за счет аккреции из протопланетного диска смог накопить большие запасы летучих веществ и металлов, а затем произошла потеря части водорода, например из-за взаимодействия магмы, океана и атмосферы. Будущие наблюдения за GJ 9827d и поиски углеродсодержащих или серосодержащих молекул должны более точно определить механизм ее формирования.

Гикеаны интересны как потенциально обитаемые экзопланеты, однако этот момент остается предметом споров.