Загадка атмосферы экзопланет

Gleise 1132 b - экзопланета в созвездии Вела, примерно в 40 световых годах от Земли. 

Исследователи давно интересовались, как может эволюционировать атмосфера на скалистых экзопланетах. Эволюция нашей собственной атмосферы - одна из моделей: изначальная атмосфера Земли была богата водородом и гелием, но сила притяжения нашей планеты была слишком слабой, чтобы помешать этим легчайшим элементам уйти в космос. Исследователи хотят знать, испытывают ли атмосферы на земных экзопланетах аналогичную эволюцию.

Анализируя спектроскопические данные, полученные с помощью космического телескопа Хаббла, Марк Суэйн и его команда смогли описать один сценарий атмосферной эволюции на Gliese 1132 b (GJ 1132 b), каменистой экзопланете, похожей на Землю по размеру и плотности.

В новом исследовании Суэйн и его коллеги предполагают, что GJ 1132 b восстановила свою богатую водородом атмосферу после того, как потерял ее в начале истории экзопланеты.

«Маленькие планеты земной группы, на которых мы могли бы найти жизнь за пределами нашей солнечной системы, серьезно пострадали от потери атмосферы», - сказал Суэйн, научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в Пасадене, Калифорния. «Мы не знаем, как обычное восстановление атмосферы есть, но оно будет иметь важное значение в долгосрочном изучении потенциально пригодных для жизни миров».

GJ 1132 b вращается вокруг красного карлика Gliese 1132, примерно в 40 световых годах от Земли в созвездии Вела. Используя широкоугольную камеру Хаббла, Суэйн и его команда собрали данные о спектре передачи, когда планета проходила перед звездой четыре раза. Они проверили наличие атмосферы с помощью инструмента под названием Exoplanet Calibration Bayesian Unified Retrieval Pipeline (EXCALIBUR). К своему удивлению, они обнаружили на GJ 1132 b атмосферу замечательного состава.

«Атмосфера может вернуться, но мы не ожидали найти вторую атмосферу, богатую водородом», - сказала Раиса Эстрела, научный сотрудник JPL и соавтор работы. «Мы ожидали более тяжелой атмосферы, такой как богатая азотом атмосфера на Земле».

Чтобы объяснить присутствие водорода в атмосфере, исследователи рассмотрели эволюцию поверхности экзопланеты, включая возможную вулканическую активность. Как и ранняя Земля, GJ 1132 b, вероятно, изначально была покрыта магмой. По мере того как такие планеты стареют и остывают, более плотные вещества опускаются в ядро и мантию, а более легкие вещества затвердевают в виде корки и образуют скалистую поверхность.

Суэйн и его команда предположили, что часть изначальной атмосферы GJ 1132 b не была потеряна в космосе, а была поглощена его магматическим морем до того, как внутренняя часть экзопланеты изменилась. По мере старения планеты ее тонкая кора служила как бы крышкой для насыщенной водородом мантии внизу. Если приливное нагревание предотвратит кристаллизацию мантии, захваченный водород будет медленно выходить через кору и постоянно пополнять запасы возникающей атмосферы.

«Это может быть первая статья, в которой исследуется наблюдательная связь между атмосферой каменистой экзопланеты и некоторыми способствующими геологическими процессами», - сказал Суэйн. 

Тем не менее, не все ученые согласны с выводами команды Суэйна.

«Я считаю, что идея атмосферы, в которой преобладает водород, - это действительно неправдоподобная история», - сказал Раймонд Пьерумберт, профессор физики в Оксфордском университете в Великобритании, который не участвовал в исследовании.

По словам Пьерумберта, космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) может предложить решение этого затруднения. JWST позволит обнаруживать атмосферы с более высоким молекулярным весом, такие как атмосфера с преобладанием азота на Земле. 

На GJ 1132 b запланировано два наблюдательных прохода, когда JWST будет запущен. Кевин Стивенсон, штатный астроном Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса, и Джейкоб Лустиг-Йегер, доктор наук, возглавят группы, пишет eos.org.

«Каждая каменистая экзопланета - это мир возможностей», - сказал Лустиг-Йегер. «Ожидается, что JWST предоставит первую возможность поиска признаков обитаемости и биосигнатур в атмосферах потенциально обитаемых экзопланет. Мы близки к тому, чтобы начать отвечать на многие из существующих вопросов».