Алмазная планета раскрывает свои тайны

Одна из ближайших к нам экзопланет в созвездии Рака, впервые обнаруженная в 2004 году, недавно оказалась в центре внимания космических телескопов «Хаббл», «Спитцер» и крупнейших наземных обсерваторий. Благодаря новым астрономическим инструментам и алгоритмам анализа данных, сейчас удалось определить наличие и состав её атмосферы. Для экзопланет класса «суперземля» такая работа выполнена впервые.

Двойная звезда 55 Рака давно привлекала внимание. Она видна на небе невооружённым глазом, поскольку находится от нас на расстоянии всего в 40,9 световых лет и обладает светимостью в 0,6 солнечных. Главная звезда в этой системе относится к тому же основному спектральному классу (GxV), что и Солнце. Её масса также близка к солнечной, а вокруг неё вращается как минимум пять планет. Каждая из них была обнаружена методом доплеровской спектроскопии. Затем открытие экзопланет подтвердили с помощью наблюдений, выполненных на орбитальных и крупнейших наземных обсерваториях.

Среди всех обнаруженных у солнцеподобной звезды экзопланет наибольшее внимание астрономов сейчас привлекает 55 Рака e. Это суперземля с большим содержанием углерода. При массе в 8,37 земных и радиусе в 2,17 раз больше земного, в её недрах должны создаваться условия для интенсивного формирование алмазов. По первичным оценкам их совокупный объём превышает размерами Землю. Дополнительный интерес к экзопланете обуславливался тем, что математические модели прогнозировали наличие у неё плотной атмосферы с высокой вероятностью содержания водяного пара.

Долгое время эти данные пытались подтвердить или опровергнуть, уточняя параметры планеты, её возможный состав и происхождение. С 2014 года для этого использовали самый совершенный прибор на космическом телескопе «Хаббл» – камеру WFC3. Однако наблюдения в видимом и ближнем инфракрасном свете позволяли определять лишь регулярные транзиты экзопланеты на фоне родительской звезды, не давая новой информации.

Исследователям помогло удачное расположение экзопланеты 55 Рака e. Поскольку она находится в 64 раза ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, год на ней длится всего 18 часов, а поверхность нагревается до 2000 K. Из-за сильного нагрева она светится в среднем инфракрасном диапазоне. Редкая для планет ИК-светимость позволяет изучать её не только средствами наблюдений в оптическом диапазоне, но и аппаратурой орбитального телескопа «Спитцер».

Совместные данные, собранные космическими телескопами «Хаббл», «Спитцер» и наземными обсерваториями, позволили исследователями из Университетского колледжа Лондона судить о составе газовой оболочки экзопланеты. Методы спектрального анализа химического состава широко применяются для изучения звёзд и атмосферы планет Солнечной системы, но для далёкой суперземли они впервые оказались столь же информативными.

В атмосфере экзопланеты 55 Рака е обнаружили большое количество водорода и гелия. Вероятно, она захватила эти лёгкие элементы ещё на раннем этапе из облака ионизированного газа при формировании местного солнца. Несмотря на все ожидания и предварительные расчёты, водяной пар в атмосфере экзопланеты обнаружить пока не удалось даже в следовых количествах.

Из-за интенсивного нагрева звездой 55 Рака А, кора суперземли постоянно плавится днём и едва успевает остыть за ночь. С восходящими тепловыми потоками в атмосферу постоянно попадают частицы углерода и его соединения – преимущественно неорганические. В ходе различных реакций в основном образуются оксиды, цианид водорода (пары синильной кислоты) и ацетилен. Преобладание монооксида углерода над его диоксидом указывает на высокое соотношение углерода к кислороду.

«Присутствие цианистого водорода и других обнаруженных нами молекул может подтвердится через несколько лет следующим поколениям инфракрасных телескопов. В этом случае мы получим новые доказательства того, что эта планета чрезвычайно богата углеродом и в целом очень необычна», – комментирует один из авторов исследования Джонатан Теннисон (Jonathan Tennyson).

55 Рака е (Янссен) – экзопланета в орбите своей звезды 55 Рака а. Масса экзопланеты составляет около 8,63 масс Земли, а ее диаметр примерно в 2 раза больше, чем у нашей планеты. Планету классифицируют, как первую супер-Землю, обнаруженную вокруг звезды главной последовательности.

Период обращения вокруг своей звезды составляет менее 18 часов. Является самой внутренней известной планеты в своей планетарной системе. 55 Рака e была обнаружен 30 августа 2004 года. В октябре 2012 года было объявлено, что 55 Рака e может быть углеродной планетой.

В феврале 2016 года было объявлено, что космический телескоп НАСА обнаружил водород и гелий, но без водяного пара в атмосфере 55 Рака e.

Открытие 55 Рака е

Как и большинство экзопланет, найденных до миссии Кеплера, 55 Рака e была обнаружена путем изменений в радиальной скорости его звезды. Это было достигнуто путем проведения чувствительных измерений доплеровского сдвига спектра. На момент её открытия, были известны три другие планеты на орбите этой звезды. 55 Рака е была одной из первых экзопланет с массой, сопоставимой с массой Нептуна.

Характеристика 55 Рака е

55 Рака e получает больше радиации, чем Глизе 436 b, и планета находится в приливном захвате, а это означает, что она обращенная к своей звезде одной и той же стороной. Температура на поверхности более 1 700 ºС, достаточно горячую, чтобы расплавить железо. Инфракрасное картографирование с помощью космического телескопа Спитцер показало, что средняя температура обращенной к звезде стороны составляет 2 300 °C, а средняя температура тёмной стороны около 1 371 °С. Радиус планеты составляет 2,17±0,10 радиуса Земли.

Первоначально было неизвестно была ли 55 Рака e небольшим газовым гигантом, как Нептун или большой скалистой планетой. В 2011 году был подтвержден транзит планеты, что позволило ученым рассчитать ее плотность. Сначала предполагалось, что это водная планета.

Алмазная планета

Другая версия заключается в том, что 55 Рака e – это твердая планета из богатого углеродом материала. В этом случае, примерно треть массы планеты будет углеродом, большая часть которого может быть в виде алмаза в результате температур и давлений во внутренней части планеты. Дальнейшие наблюдения необходимы для подтверждения природы планеты.

В ноябре 2017 года было объявлено, что инфракрасные наблюдения с помощью космического телескопа Спитцер показали наличие глобального лавового океана, затененного атмосферой с давлением около 1,4 бар. Атмосфера может содержать как азот, так и кислород.

Большие перепады температуры на поверхности на 55 Рака e связаны с возможной вулканической деятельностью. Большие облака пыли покрывают планету и преграждают термальные излучения.