Уперше науковці, які працюють з Космічним телескопом імені Габбла, виявили докази вулканічної діяльності, що спричиняє відновлення атмосфери на екзопланеті з твердою поверхнею. Екзопланета GJ 1132 b має схожі із земними густину, розмір та вік.

Вона розпочала своє життя, ймовірно, як газоподібна планета з щільною атмосферою. Маючи початковий радіус в кілька разів більший, ніж радіусі Землі, цей так званий «субнептун» внаслідок ​​інтенсивного випромінювання від його гарячої молодої зорі швидко втратив свою первинну атмосферу з водню та гелію. За короткий проміжок часу від субнептуна залишилося тільки оголене ядро розміром із Землю.

На подив астрономів, нові спостереження «Габбла» виявили вторинну атмосферу, яка замінила першу атмосферу екзопланети. Вона багата воднем, ціанистим воднем, метаном та аміаком, а також має вуглеводневу млу. Астрономи запропонували теорію згідно з якою водень із початкової атмосфери проник в розплавлену магму мантії планети і тепер повільно вивільняється через вулканізм, утворюючи нову атмосферу. Ця друга атмосфера, яка продовжує витікати в космос, постійно поповнюється з мантії.

Графік, що показує спектр атмосфери екзопланети GJ 1132 b. Вона має тверду поверхню, а її розміри приблизно такі, як і в Землі. Тлом зображення є малюнок художника, який зобразив уявний вигляд цієї екзопланети. Помаранчева лінія на графіку позначає спектр, отриманий з моделювання атмосфери. Спостережуваний спектр показано блакитними крапками, що позначають середні значення даних спостережень. А рисками показано величину похибок при реєстрації цих даних. Аналіз результатів дослідження вказує на те, що атмосфера GJ 1132 b містить переважно водень, а також метан та ціаністий водень. В ній також є аерозолі, які спричиняють розсіювання світла. Фото з сайту https://esahubble.org.

«Ця друга атмосфера виходить із поверхні та внутрішньої частини планети, і, отже, це вікно у геологію іншого світу», — пояснив учасник дослідження Пол Ріммер (Paul Rimmer) з Кембриджського університету (Великобританія). «Треба зробити ще багато роботи, щоб належним чином подивитися в нього, але відкриття цього вікна має велике значення».

«Ми спершу вважали, що ці сильно “обвуглені” екзопланети будуть досить нудними, бо ми розуміли, що вони втратили атмосферу», — сказала учасниця наукової групи Раїсса Естрела (Raissa Estrela) з Лабораторії реактивного руху в Каліфорнійському технологічному інституті в Пасадені (штат Каліфорнія, США). Але ми подивились на дані спостережень “Габбла” за цією планетою і зрозуміли, що там панує атмосфера».

«Скільки землеподібних екзопланет починають своє формування не так, як Земля? Деякі можуть спочатку бути субнептунами, але потім вони стають землеподібними через механізм, завдяки якому світло випаровує первісну атмосферу. Цей процес діє на самому початку існування планети, коли її материнська зоря гарячіша», — сказав керівник групи науковців Марк Свейн (Mark Swain) з Лабораторії реактивного руху. «Потім зоря стає холоднішою, а планета залишається поруч із нею. Отже, у вас є цей механізм, який може знищити атмосферу протягом перших 100 мільйонів років, а потім вона знову відновлюється. І якщо ви зможете відновити атмосферу, можливо, ви зможете її зберегти».

Певним чином GJ 1132 b схожа на Землю, але водночас вони дуже різні. Обидві мають однакову густину, схожі розміри та схожий вік, їм близько 4,5 мільярдів років. Обидві на початку існування мали атмосфери, де переважав водень, і поверхні обох були розпеченими, поки не охололи. Наукова група навіть припускає, що GJ 1132 b і Земля мають приблизно однаковий атмосферний тиск на поверхні.

Проте історія формування планет відрізняється суттєво. Згідно з сучасними уявленнями, Земля —це не вціліле ядро субнептуна. Земля обертається на помірній відстані від Сонця — зорі, що належить до типу жовтих карликів. GJ 1132 b міститься так близько до своєї материнської зорі, червоного карлика, що обходить навколо неї за півтори доби. Така близька відстань призвела до того, що GJ 1132 b є припливно заблокованою, тобто до зорі в будь-який час обернена тільки один бік її поверхні — так само, як Місяць обернений до Землі.

«Питання в тому, що підтримує мантію досить гарячою, щоб вона була в рідкому стані й спричиняла вулканізм?» — запитує Свейн. «Ця система особлива, бо вона має великі можливості в сенсі припливного нагрівання».

Явище припливного нагрівання відбувається через тертя, коли енергія від орбітального руху та осьового обертання розсіюється як тепло всередині планети. GJ 1132 b має еліптичну орбіту, і припливні сили, що діють на екзопланету, найсильніші, коли вона перебуває найближче або найдальше від материнської зорі. Крім того, на неї чинить гравітаційний вплив як мінімум ще одна планета, якщо такі є в системі цієї зорі. Внаслідок такого гравітаційного «накачування» планета стискається або розтягується. Це припливне нагрівання надовго утримує речовину мантії в рідкому стані. Прикладом дії такого механізму в Сонячній системі є супутник Юпітера Іо, де є постійні вулкани. Вулканізм спричиняє припливне «перетягування каната» між Юпітером і сусідніми з Іо супутниками цієї планети-гіганта.

Науковці вважають, що кора GJ 1132 b надзвичайно тонка, товщиною, можливо, лише кілька десятків метрів. Це занадто мало, щоб на поверхні планети виникали бодай якісь вулканічні вершини. Її рівна поверхня також може бути потріскана, як яєчна шкаралупа, внаслідок припливного згинання. Через такі тріщини може виділятися водень та інші гази.

«Ця атмосфера, якщо вона тонка, можливо, означає, що ви можете бачити аж до поверхні в інфрачервоному діапазоні електромагнітного спектра. Тобто, якщо астрономи спостерігатимуть цю планету за допомогою Космічного телескопа Джеймса Вебба, існує ймовірність, що вони зареєструють не спектр атмосфери, а спектр поверхні», — пояснив Свейн. «І якщо там є озера з магми чи вулканізм, ці райони матимуть вищу температуру. Це спричинятиме до збільшення викидів, і тому астрономи потенційно будуть спостерігати фактичну геологічну активність. Така перспектива викликає захоплення!»

Цей значний результат, бо він дає науковцям, які вивчають екзопланети, спосіб з’ясувати щось про геологію планети за її атмосферою», — додав Ріммер. «Це також важливо для розуміння того, яким є місце планет з твердою поверхнею в Сонячній системі — Меркурій, Венера, Земля та Марс — в загальній картині порівняльної планетології у питанні наявності водню в атмосфері на тлі відповідної кількості в ній кисню».

За інф. з сайту https://esahubble.org