Каменистая планета, находящаяся почти в 50 световых годах от нас, кажется безвоздушной, тёмной и покрытой вулканическими или выветренными породами, согласно новым наблюдениям космического телескопа Джеймса Уэбба. Это первый случай, когда астрономы получили подробности о поверхности скалистой планеты за пределами нашей Солнечной системы.

Планета, LHS 3844 b, непригодна для жизни. Она примерно на 30 процентов больше Земли, вращается вокруг своей звезды каждые 11 часов, и одна сторона постоянно направлена к Солнцу, при температуре около 725°C.

Используя инструмент JWST Mid-Infrared Instrument, исследователи измеряли тепло, исходящее с дневной стороны планеты, когда она проходила за своей звездой. Это свечение намекает на бесплодный мир, больше похожий на Меркурий или Луну, чем на Землю, без существенной атмосферы и без признаков земнородной, богатой гранитами коры.

«Благодаря удивительной чувствительности JWST мы можем обнаруживать свет, исходящий непосредственно с поверхности этой далёкой каменистой планеты», — заявила Лаура Крейдберг, главный исследователь наблюдений, в пресс-релизе MPIA. «Мы видим тёмную, горячую, бесплодную скалу, лишённую всякой атмосферы.»

Удивительные открытия знаменуют собой значительный сдвиг в науке об экзопланетах. Во-первых, в 1990-х астрономы с радостью идентифицировали далёкие планеты за пределами Солнечной системы. Затем они начали совершенствовать приборы и техники, которые позволили им узнавать информацию об этих экзопланетах, такие как их масса, плотность и даже состав некоторых их атмосфер. Сейчас мы вступаем в эпоху, когда учёные могут делать выводы о геологии далёких миров.

Планета, которая никогда не отворачивается

LHS 3844 b — это сверхземля, примерно на 30 процентов больше нашей планеты. Он вращается вокруг холодной красной карликовой звезды, находящейся всего в 48,5 световых годах. Но «Earth» — возможно, не лучший лейбл здесь. Это не умеренный мир.

Планета вращается вокруг своей звезды раз в 11 часов. Он вращается так близко, что одна и та же сторона всегда обращена к звезде, а противоположная сторона остаётся запертой во тьме. Дневной участок достигает около 1000 Кельвинов, или примерно 725 градусов Цельсия. Это достаточно горячо, чтобы поверхность могла сильно светиться в инфракрасном свете, но, вероятно, не настолько, чтобы превратить всю поверхность в глобальное лавовое море.

Эта жара сделала LHS 3844 b необычно хорошей целью для JWST. Астрономы не могли напрямую видеть долины, равнины, вулканы или кратеры. Вместо этого они наблюдали за объединённым светом звезды и планеты, когда планета ускользнула за звезду.

Это событие называется вторичным затмением. Когда планета исчезает за своим солнцем, исчезает и крошечное количество инфракрасного света. Этот недостающий свет — это свечение самой планеты.

В 2023 и 2024 годах команда наблюдала три таких затмения с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) JWST. Прибор измерял тепловое излучение от 5 до 12 микрометров, разделённое на 12 диапазонов длины волны. Исследователи также использовали более ранние измерения космическим телескопом Spitzer на более коротких инфракрасных длинах волн.

Сигнал затмения был небольшим, но чётким. Спад был незначительным — всего 696 частей на миллион, или около 0,07 процента — но JWST измерил его настолько точно, что сигнал был значительно выше шума. Комбинированный спектр JWST и Spitzer соответствует почти безликому черному телу 1000 Кельвинов, что является астрономическим термином для поверхности, которая выглядит тёмной и горячей, а не отражающей или окутанной атмосферой.

Чтение камней от жары

Самое умное — это то, что последовало дальше. Разные породы излучают и отражают инфракрасный свет по-разному. Поверхность, богатая гранитом, не совсем похожа на базальт. Мелкий порошок не ведёт себя как твёрдая плита. Грубая, выветренная поверхность отличается от свежей.

Поэтому команда сравнила спектр планеты с лабораторными измерениями и моделями пород и минералов с Земли, Луны и Марса. Они испытывали твёрдые плиты, крупно измельчённый материал и мелкие порошки.

Ответ был не земным.

Гранит, светлая порода, распространённая в континентальной коре Земли, была неудачным сочетанием. В сравнении моделей в статье был исключён образец гранита «золото орландо» при уровне около 8,9 сигма. Даже сильное космическое выветривание не могло сделать так, чтобы гранитная поверхность хорошо соответствовала данным.

Гранит — это не просто камень. На Земле обильное количество гранита связано с длительной геологической переработкой, тектоником плит и водой. Континенты Земли — это продукт глубокого планетарного механизма, который плавит, переплавляет, сортирует и поднимает более лёгкие минералы к поверхности на протяжении огромных временных промежуток.

LHS 3844 b не показывает признаков такой поверхности.

«Поскольку LHS 3844 b не имеет такой силикатной коры, можно сделать вывод, что тектоника, похожая на земные плиты, не применима к этой планете или она неэффективна», — сказал ведущий автор Себастьян Зиба из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института в Массачусетсе. «На этой планете, вероятно, мало воды.»

Лучше подходили более тёмные породы, богатые железом и магнием. Базальт, вулканическая порода, составляющая большую часть тёмной марии Луны и морской коры Земли, работала хорошо. Также были ультрамафические, богатые оливином породы, напоминающие материал мантии. Лучшей поверхностью в одном наборе моделей был оливин-клинопироксенит — ультрамафическая порода. Образец базальта с извержения Килауэа 1919 года также соответствовал наблюдениям.

Проще говоря, JWST видел что-то скорее похожее на вулканическую породу или богатый мантиями материал, чем на континентальную кору.

Свежая лава или древняя пыль?

Но есть подвох. Данные указывают на тёмную поверхность, но пока не выясняют, исходит ли эта тьма от свежей твёрдой породы или от старого материала, измельчённого и затемнённого космосом.

На мирах без атмосферы космическое выветривание никогда не прекращается. Микрометеориты падают на поверхность. Радиация от звездных бомбардировок обнажает породу. Со временем хард-рок может распадаться на реголит — тонкий, пыльный материал, знакомый по отпечаткам ботинок Аполлона на Луне.

Этот процесс также может затемнить поверхность. На Луне и Меркурии крошечные частицы железа, образующиеся в результате ударов и солнечного ветра, помогают сделать поверхность темнее. Углерод также может затемнять безвоздушные тела.

«Оказывается, эти процессы не только медленно растворяют твёрдые породы в реголит — слой мелкозерен или порошка, как на Луне», — сказал Зиба. «Они также затемняют слой, добавляя железо и углерод, что делает свойства реголита более соответствующими наблюдениям.»

Таким образом, астрономы остаются с двумя сценариями.

В первом LHS 3844 b имеет относительно свежую поверхность тёмной твёрдой породы. Это может означать недавнее вулканическое всплывление, когда лава распространилась по большим территориям и ещё не была измельчена в порошок.

Во втором планета старая и геологически неактивна, покрыта потемневшим реголитом, накапливающимся за долгие периоды. Это сделает его ближе к Меркурию или Луне.

На данный момент оба варианта могут объяснить эти наблюдения.

Пропавший вулканический газ

Поэтому команда попыталась разорвать ничью, ища вулканические газы.

Если бы LHS 3844 b недавно имел широко распространённый вулканизм, он мог бы выделять такие газы, как углекислый газ или диоксид серы. Инструмент JWST Mid-Infrared Instrument (MIRI) особенно полезен здесь, поскольку диоксид серы может оставлять сильные инфракрасные особенности. Исследователи смоделировали возможные атмосферы с углекислым газом или кислородом в качестве фоновых газов и разным количеством диоксида серы.

JWST не нашёл убедительных признаков их присутствия.

Это не обязательно доказывает, что планета вулканически мертва. Вулканические газы могли замерзать на холодной ночной стороне. Тонкая, временная атмосфера могла появляться и исчезать. Моделирование также предполагает отсутствие облаков и определённую структуру температуры атмосферы.

Тем не менее, отсутствие накопленных вулканических газов ослабляет аргументы о недавней крупномасштабной активности. Пока что более вероятна старая картина с выветренной поверхностью.

Это сделало бы LHS 3844 b миром, сформированным не столько океанами, континентами и активной переработкой тектонических плит, сколько радиацией, ударами и временем.

Новый вид науки об экзопланетах

Вот в чём главный момент. JWST — это не только помощь астрономам в вопросе, есть ли у маленьких каменистых планет атмосферы. Они начинают сортировать их по типу поверхности.

Это большое изменение. Большинство экзопланет до сих пор известны только по размеру, массе, орбите и, возможно, по приблизительной оценке температуры. Планету можно назвать «каменистой», потому что её плотность намекает на породу и металл, но это мало что говорит о том, какой тип породы находится на поверхности.

LHS 3844 b показывает путь вперёд. Астрономы могут использовать тепловой свет, чтобы проверить, есть ли у планеты отражающая кора, базальтовая поверхность, порошкообразный реголит или газы, намекающие на вулканизм.

Этот метод не подойдёт для каждой планеты. LHS 3844 b необычно горячий, близкий и благоприятный для этих измерений. Но это показывает, что геология экзопланет перешла от теории к наблюдению.

Уже идёт ещё больше. Команда получила дополнительные наблюдения JWST, предназначенные для различия твёрдых пород от порошка, изучая, как планета излучает свет под разными углами обзора. Похожие методы применяются для изучения астероидов в нашей собственной Солнечной системе.

«Мы уверены, что тот же метод позволит нам прояснить природу коры LHS 3844 b и, в будущем, других каменистых экзопланет», — сказал Крейдберг.

Результаты были опубликованы в Природная астрономия .