Магматическим океанам разрешили поддерживать плотную атмосферу сверхгорячих экзопланет

Астрономы получили наблюдательное подтверждение того, что магматические океаны на горячих экзопланетах с ультракороткими орбитальными периодами способны эффективно пополнять атмосферу летучими веществами на протяжении очень долгого времени, что в теории казалось мало достижимым. Такой вывод следует из наблюдений телескопа «Джеймс Уэбб» за суперземлей TOI-561b, у которой нашлась плотная вторичная атмосфера. Препринт доступен на arXiv.org.

Экзопланеты с ультракороткими орбитальными периодами, составляющими менее суток, обычно представляют собой тела радиусом менее двух радиусов Земли и объемной плотностью, соответствующей смеси горных пород и железа. До сих пор неясно, как именно формируются такие объекты, однако идея образования на текущих орбитах кажется маловероятной, более правдоподобно выглядит миграция с более дальних орбит. 

Некоторые из известных экзопланет с ультракоротким периодом обладают относительно низкой объемной плотностью, что можно интерпретировать как отсутствие ядра или как наличие газовой оболочки. В последнем случае возникает вопрос о механизмах образования атмосферы и ее постоянного пополнения, так как в теории мощные потоки излучения от звезды должны быстро лишить экзопланету с ультракоротким периодом летучих веществ за счет фотоиспарения и разогрева.

Группа астрономов во главе с Йоханной Теске (Johanna K. Teske) из Лаборатории Земли и планет Института Карнеги опубликовала результаты анализа данных спектроскопических наблюдений за экзопланетой с ультракоротким периодом TOI-561b инструмента NIRSpec телескопа «Джеймс Уэбб». Наблюдения велись за дневной стороной экзопланеты и охватывали четыре вторичных затмения (экзопланета проходит позади звезды) в период с 1 по 3 мая 2024 года.

TOI-561b выделяется необычно низкой объемной плотностью (4,3 грамма на кубический сантиметр) при очень большой равновесной температуре (более 2000 кельвин). Она характеризуется массой в 2,24 массы Земли, радиусом 1,41 радиуса Земли и обращается с периодом 0,44 суток вокруг старой (около 10-11 миллиардов лет) звезды из толстого диска Млечного Пути.

Исследователи рассчитали, что  яркостная температура дневной стороны может составлять от 1800 до 2150 кельвин, что значительно меньше, чем значения в моделях лишенной атмосферы скалистой поверхности. TOI-561b выглядит достаточно разогретым телом, чтобы на ее дневной части мог существовать магматический океан. В этом случае может возникнуть разреженная газовая оболочка, состоящая из испаренных компонентов горных пород, таких как оксиды магния и алюминия. Однако заметно лучше выглядит модель плотной газовой оболочки, богатой летучими веществами, такими как водяной пар, которая уже способна обеспечить охлаждение поверхности планеты до нужных температур.

Таким образом, случай TOI-561b демонстрирует, что сверхгорячие суперземли способны удерживать летучие вещества в своих атмосферах на протяжении очень долгого времени, несмотря на сильное облучение со стороны звезды, а резервуаром этих веществ способен выступать магматический океан. Более точное определение природы плотной атмосферы у этой экзопланеты требует новых моделирований и наблюдений. 

Вторичная атмосфера может также поддерживаться за счет активного вулканизма на скалистых экзопланетах, что подтверждается наличие соединений серы в атмосфере близкой к Солнцу суперземли.