Нові дослідження показують, як хмари формують внутрішню структуру суб-Нептунів

На сьогоднішній день астрономи підтвердили існування 6,324 екзопланет у 4,738 зоряних системах, при цьому десятки тисяч чекають на підтвердження. Суб-Нептуни, клас планет, які за масою розташовані між Землею та Нептуном, є одними з найпоширеніших типів у перепису екзопланет, з 2,182 підтвердженими відкриттями. Проте, астрономи дуже мало знають про цю загадкову категорію планет, зокрема, з чого вони складаються.

Науковці особливо зацікавлені у складі їх внутрішньої структури. Вони підозрюють, що у суб-Нептунів можуть бути кам'янисті внутрішні ядра, оточені атмосферами, багатими на водень, або ж вони можуть бути насичені летючими речовинами з величезними кількостями води та молекул, що містять вуглець. Використовуючи дані з Космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), команда астрономів з Університету штату Аризона (ASU) виявила цікаву взаємозалежність між атмосферами цих планет та умовами глибоко в їхніх внутрішніх шарах.

Дослідження проводив Сагнік Мукерджі, постдокторант програми 51 Pegasi b в Школі дослідження Землі та космосу ASU. Йому допомагали Метью С. Ніксон, також постдокторант програми 51 Pegasi b, аспірант Національного наукового фонду Джеймс Манг з Університету Техасу в Остіні, а також дослідники з Центру досліджень НАСА в Еймсі та Інституту SETI. Результати їхніх досліджень нещодавно були опубліковані в Astrophysical Journal Letters.

Ілюстрація, що порівнює розміри екзопланет суб-Нептунів TOI-421 b та GJ 1214 b з Землею та Нептуном. Джерело: NASA/ESA/CSA/Dani Player (STScI)

Хоча JWST має потужність і чутливість для вивчення атмосфер суб-Нептунів, він може спостерігати лише верхні шари цих атмосфер. Завдання астрономів полягає в тому, щоб пов'язати верхні шари атмосфери з внутрішніми структурами, що ускладнюється присутністю хмар. Якщо хмари формуються високо в атмосфері планети, вони можуть закривати хімічний склад того, що лежить нижче. Використовуючи детальні комп'ютерні моделі, Мукерджі та його колеги визначили, що ці хмари активно формують фізичні умови в середині планет.

Зокрема, вони виявили, що хмари, які складаються з випаруваних порід і солей, можуть формуватися глибоко в атмосферах суб-Нептунів, ставши термічним покриттям, яке затримує тепло в середині. На основі своїх моделей команда виявила, що хмари можуть підвищувати температуру в нижніх шарах атмосфери на більше ніж 1,000 °C (1,832 °F), одночасно охолоджуючи верхні шари. Цей температурний зсув поширюється аж до межі між атмосферою та підлеглою внутрішньою структурою.

Зокрема, моделі команди показали, що для двох суб-Нептунів, GJ 1214 b та TOI-1231 b, додаткове тепло було достатнім для розплавлення кам'янистої внутрішньої частини, що потенційно призвело до утворення магматичного океану. "Серед суб-Нептунів, які наразі вивчаються за допомогою JWST, ми були вражені тим, що нагрівання, спричинене хмарами, може підвищити температуру на межі атмосфери та внутрішньої частини планети приблизно на 1,400 до 2,600 градусів Цельсія", - зазначив Мукерджі.

Як і вулканічна активність на Землі, магматичні океани в цих планетах, ймовірно, обмінюватимуть гази між кам'янистими внутрішніми шарами та їх зовнішніми атмосферами. Нагрівання спричинить вивільнення газів (таких як кисень), силікон гідрид та силікон монооксид в атмосферу. Водночас летючі речовини, такі як метан, водяна пара та аміак, будуть поглинені в магматичний океан. Це означає, що атмосфери планет забруднені подіями, що відбуваються глибоко в їхніх внутрішніх шарах, ступінь яких залежить безпосередньо від того, наскільки хмарні їхні атмосфери.

Ця ілюстрація художника показує K2-18b, який, можливо, є найвідомішим суб-Нептуном. Джерело: ESA/Hubble/M. Kornmesser

Це створює серйозну проблему для науковців, які інтерпретують дані JWST. Хмари, створені магматичними океанами, можуть спотворювати сигнали, які отримує Вебб, що означає, що хімічні елементи, які він виявляє в атмосфері суб-Нептуна, не відображають загальний склад планети. Що стосується вивчення екзопланет, астрономи традиційно розглядали хмари як перешкоду, яка зменшує спектральні сигнатури, що розкривають, з чого складається планета.

Більше того, хмари в атмосфері суб-Нептунів впливають на температурні та охолоджувальні патерни, які формують їхні внутрішні структури та впливають на їхнє скорочення та охолодження з часом, що впливає на їхні нинішні розміри та внутрішнє тепло. Це особливо важливо, враховуючи, що суб-Нептуни стають потенційними кандидатами на придатність для життя (за певних умов). Для того, щоб розглянути цю можливість, науковці потребують чіткого уявлення про їхні поверхні та внутрішні структури.

Це дослідження підкреслює, як важливо зрозуміти роль хмар у формуванні властивостей внутрішніх структур планет. "Інтерпретація спостережень JWST суб-Нептунів є особливо складною через складні взаємини між атмосферою та внутрішньою частиною", - сказав співавтор Луїс Уелбенкс, асистент професора в SESE. "Ця робота наближає нас до відповіді на питання, з чого складаються ці загадкові світи.