Утечка гелия указала на наличие атмосферы у скалистой экзопланеты в обитаемой зоне

Астрономы впервые четко заметили признаки наличия атмосферы у скалистой экзопланеты в обитаемой зоне своей звезды. LHS 1140b, обращающаяся вокруг близкого к нам красного карлика, демонстрирует истечение из верхних слоев атмосферы гелия, при этом в более глубоких слоях газовой оболочки могут скрываться более тяжелые элементы. Статья опубликована в журнале Science.

Поиски и определение свойств атмосферы у экзопланет важны как для проверки моделей их формирования и эволюции, так и для оценки потенциальной обитаемости. В последнем случае особый интерес вызывают экзопланеты, похожие на Землю по своим физическим параметрам, однако их трудно наблюдать и изучать из-за малых размеров и тусклости. Выходом из ситуации стали планетные системы у небольших звезд, таких как красные карлики, однако здесь возникает другая проблема — эти светила активнее, чем более крупные звезды, такие как наше Солнце, из-за чего растет вероятность потери экзопланетой атмосферы. В большинстве случаев у небольших скалистых экзопланет либо не находят атмосферы, либо газовые оболочки оказываются разреженными. А для подобных объектов в обитаемых зонах своих звезд ученые до недавнего времени не находили однозначных свидетельств наличия атмосфер.

Группа астрономов во главе с Коллином Черубимом (Collin Cherubim) из Смитсоновской астрофизической обсерватории сообщила, что получила первые четкие доказательства наличия атмосферы у скалистой экзопланеты в обитаемой зоне. Наблюдения за системой LHS 1140 велись при помощи инфракрасного эшелле-спектрографа WINERED, установленного на одном из наземных Магеллановых телескопов, 23 сентября 2024 года. В общей сложности ученые получили 35 спектров вне событий транзитов по звезде двух экзопланет, 12 раз наблюдали транзиты LHS 1140c и 23 раза — транзиты LHS 1140b. 

Родительская звезда системы представляет собой старый (более трех миллиардов лет) малоактивный красный карлик, расположенный в 48,8 светового года от Солнца. Ближайшая к карлику LHS 1140c обладает массой около 1,91 массы Земли и равновесной температурой 420 кельвин, а также получает примерно в пять раз больше излучения, чем Земля. LHS 1140b находится дальше от светила и попадает в обитаемую зону, ранее в экзопланете подозревали гикеан, обладающий атмосферой. Она обладает массой 5,6 массы Земли при радиусе 1,73 радиуса Земли, что вписывается в модель скалистого тела с составом близким к земному, но с добавкой компонента малой плотности: атмосферы или высокого содержания воды. Год на экзопланете длится 24,7 земного дня, ее равновесная температура составляет всего 226 кельвин, а уровень принимаемого от звезды излучения составляет 42 процента от уровня облучения Земли Солнцем.

В случае LHS 1140c каких-либо признаков наличия атмосферы не обнаружилось, однако в случае LHS 1140b исследователи заметили в спектрах избыточное поглощение метастабильного гелия до, во время и после событий транзитов. Это можно описать моделью хвостов, создаваемых гелием, истекающим из разреженной верхней атмосферы экзопланеты во время ее движения по орбите. Предполагается, что утечка гелия порождается, в основном, за счет высокоэнергетического излучения от звезды: в рентгеновском диапазоне поток излучения, получаемый LHS 1140b, в 2,7–16 раз превышает поток, получаемый Землей от Солнца.

Исследователи оценили, что расчетный верхний предел текущей утечки атмосферы составляет 5 × 10⁹ грамм в секунду, при этом в верхних слоях атмосферы LHS 1140b содержание водорода к гелию очень низкое. Предыдущие наблюдения за экзопланетой исключили наличие водяных облаков и дымки из метана или сероводорода. Возможно, более глубокие слои атмосферы богаты элементами тяжелее гелия, такими как кислород, углерод и азот. Кроме того, если экзопланета содержит значительное количество воды, то ее утечку может сдерживать потенциальная холодная ловушка в тропопаузе, что также объясняет обедненность верхней атмосферы водородом. Отсутствие видимой утечки гелия из атмосферы LHS 1140b в 2025 году может быть связано с переменным характером этого процесса.

В обитаемую зону попадают экзопланеты и других типов, например гикеаны, однако с описанием свойств их атмосфер на основе наблюдений тоже есть проблемы (подробнее об этом — раз и два).