"Уэбб" исследовал экзопланету, имеющую форму лимона и необычную атмосферу

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба исследована экзопланета, вращающуюся вокруг пульсара, состав атмосферы которой ставит под сомнение наше понимание того, как она образовалась. Об этом рассказывают в NASA. Объект, официально названный PSR J2322-2650b, имеет массу, подобную массе Юпитера, и, судя по всему, экзотическую атмосферу, в которой преобладают гелий и углерод, что не похоже ни на одну из известных ранее. Вероятно, в воздухе плавают облака сажи, а в глубинах планеты эти углеродные облака могут конденсироваться и образовывать алмазы. Как появилась эта планета, остается загадкой. Статья с исследованием появилась 16 декабря в журнале The Astrophysical Journal Letters. «Это было абсолютной неожиданностью», — рассказывает соавтор исследования Питер Гао из Лаборатории Земли и планет Института Карнеги в Вашингтоне. «Я помню, что после того, как мы получили данные, наша общая реакция была: "Что это, черт возьми, такое?". Это сильно отличается от того, что мы ожидали». 

Художественная концепция показывает, как может выглядеть экзопланета под названием PSR J2322-2650b (слева) на орбите быстро вращающейся нейтронной звезды, которая называется пульсаром (справа). Credits: Illustration: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Планета освещена своей звездой, хотя саму звезду "не видно"

Известно, что этот объект с массой планеты находится на орбите вокруг пульсара, быстро вращающейся нейтронной звезды. Пульсар испускает пучки электромагнитного излучения с регулярными интервалами, как правило, от миллисекунд до секунд. Их можно увидеть только тогда, когда они направлены на Землю, подобно лучам маяка.

Ожидается, что этот миллисекундный пульсар излучает преимущественно гамма-лучи и другие высокоэнергетические частицы, которые невидимы для инфракрасного зрения Уэбба. В таком случае, без яркой звезды поблизости, ученые могут детально изучить планету по всей ее орбите. «Эта система уникальна, потому что мы можем видеть планету, освещенную ее материнской звездой, но не видим саму материнскую звезду. Поэтому мы получаем действительно чистый спектр. И мы можем изучать эту систему более подробно, чем обычные экзопланеты», — сказала Мая Белезнай из Стэнфордского университета в Калифорнии, которая работала над моделированием формы планеты и геометрии ее орбиты. «Планета вращается вокруг звезды, которая является совершенно странной — она имеет массу Солнца, но размером с город», — говорит Майкл Чжан из Чикагского университета, главный автор этого исследования.

Атмосфера с редким молекулярным углеродом

«Это новый тип атмосферы планеты, которого никто раньше не видел. Вместо обычных молекул, которые мы ожидаем увидеть на экзопланете, таких как вода, метан и углекислый газ, мы увидели молекулярный углерод, а именно C3 и C2», — добавил Чжан.

Наличие молекулярного углерода очень необычно, поскольку при таких температурах, если в атмосфере есть другие типы атомов, углерод связывается с ними. (Температура на планете колеблется от 650 градусов в самых холодных точках ночной стороны до 2000 градусов Цельсия в самых жарких точках дневной стороны). Молекулярный углерод доминирует только при условии, что почти нет кислорода или азота. Из примерно 150 планет, которые астрономы изучили внутри и вне Солнечной системы, ни одна другая не имеет обнаруженного молекулярного углерода.

Планета в форме лимона

PSR J2322-2650b находится чрезвычайно близко к своей звезде, всего в 1,6 миллиона километров. Для сравнения, расстояние Земли от Солнца составляет около 150 миллионов километров. Из-за чрезвычайно плотной орбиты, весь год экзопланеты — время, необходимое для вращения вокруг своей звезды — составляет всего 7,8 часа. Гравитационные силы гораздо более тяжелого пульсара растягивают планету, масса которой равна массе Юпитера, до причудливой формы лимона.
Как могла образоваться система пульсар-планета?

Вместе звезда и экзопланета могут считаться системой «черной вдовы», хотя и не типичным примером. Системы черной вдовы — это редкий тип двойных систем, где быстро вращающийся пульсар сопряжен с небольшим звездным компаньоном с низкой массой. В прошлом материал из компаньона поступал на пульсар, заставляя его со временем вращаться быстрее, что создавало сильный ветер. Этот ветер и излучение затем бомбардируют и испаряют меньшего по размеру и массе спутника. Как и паук, в честь которого она названа, пульсар медленно поглощает своего несчастного партнера.

Но в этом случае спутник официально считается экзопланетой, а не звездой. Международный астрономический союз определяет экзопланету как небесное тело массой менее 13 масс Юпитера, которое вращается вокруг звезды, коричневого карлика или остатка звезды, такого как пульсар.

Из 6000 известных экзопланет это единственная, которая напоминает газового гиганта (с массой, радиусом и температурой, схожими на горячий Юпитер), вращающегося вокруг пульсара. Известно, что лишь несколько пульсаров имеют планеты.

«Образовалась ли эта штука как обычная планета? Нет, потому что ее состав совсем другой», — говорит Чжан. «Образовалась ли она путем снятия внешней оболочки звезды, как образуются "обычные" системы черных вдов? Наверное, нет, потому что ядерная физика не создает чистый углерод. Очень трудно представить, как можно получить такой чрезвычайно обогащенный углеродом состав. Это, кажется, исключает все известные механизмы формирования».

Соавтор исследования Роджер Романи из Стэнфордского университета и Института астрофизики частиц и космологии Кавли предлагает одно интересное явление, которое могло произойти в этой уникальной атмосфере.

«Когда спутник охлаждается, смесь углерода и кислорода внутри начинает кристаллизоваться», — говорит Романи. «Кристаллы чистого углерода всплывают на поверхность и смешиваются с гелием, и именно это мы видим. Но затем должно произойти что-то, чтобы удержать кислород и азот как можно дальше. И здесь появляется загадка».

«Но приятно не знать всего», — отметил Романи. «Я с нетерпением жду, чтобы узнать больше о странностях этой атмосферы. Замечательно иметь загадку, которую можно разгадать».

Исключительное зрение Уэбба

Благодаря инфракрасному зрению и чрезвычайной чувствительности, это открытие мог сделать только телескоп Уэбба. Его расположение в 1,5 миллиона километров от Земли и огромный солнечный экран обеспечивают низкую температуру приборов, что необходимо для наблюдений. Провести такое исследование с поверхности Земли невозможно.

Космический телескоп Джеймса Уэбба — это ведущая космическая научная обсерватория в мире. Уэбб разгадывает тайны нашей Солнечной системы, смотрит за пределы дальних миров вокруг других звезд и исследует таинственные структуры и происхождение нашей Вселенной и наше место в ней. Уэбб — это международная программа, которую возглавляет NASA вместе со своими партнерами, ESA (Европейским космическим агентством) и CSA (Канадским космическим агентством).