Астрономы составили первую тепловую карту суперземли

55 Cancri e — экзопланета с кризисом самоопределения. После ее открытия в 2004 году на весьма тесной орбите у звезды в 40 световых годах от нас, астрономы назвали планету «суперземлей». Будучи всего в 8 раз больше по массе и в 2 раза по размерам, чем наш мир, 55 Cancri e находится в категории полусреднего веса, граница которого колеблется между газовыми гигантами и планетами земного типа. Ничего подобного в нашей Солнечной системе пока не нашли.

Ученые годами считали лучшим объяснением его среднего веса наличие твердого ядра размером с Землю, окруженного плотной парообразной атмосферой. Однако новая карта планеты — первая в своем роде для такого небольшого мирка — говорит о том, что 55 Cancri e может вообще не иметь атмосферы и быть безвоздушным, наполовину расплавленным шариком шлака.

За месяц наблюдений (чистого времени) на инфракрасном космическом телескопе Спитцер NASA, группа под руководством Брайса-Оливье Демори из Университета Кембриджа грубо набросала карту тепловой «фазовой кривой» планеты — вариации ее яркости по мере движения вокруг звезды. Планета приливно заблокирована со своей звездой, то есть мир вращается лишь один раз вокруг своей оси за орбиту, поэтому одно полушарие вечно купается в солнечном свете, а другое лежит во мраке. Измерения ученых показали, что ночная сторона планеты должна демонстрировать румяное свечение, поскольку температура на ней превышает 1000 градусов по Цельсию — как в доменной печи. Но на дневной стороне 55 Cancri e температура в два раза выше, и самая горячая точка смещена на восток от ожидаемой позиции прямо под звездой. Результаты работы ученых были опубликованы в Nature.

Весьма ощутимая разница между температурами дневной и ночной сторон указывают на отсутствие на 55 Cancri заметной атмосферы, поскольку ветры должны перераспределять тепло между двумя полушариями. Но сдвинутая горячая точка дневной стороны предполагает, что что-то все равно перераспределяет тепло, сметая его чуть дальше на восток, подальше от точки «под звездой» на поверхности планеты, где излучение звезды наиболее интенсивно.

«Мы впервые использовали дистанционное зондирование для картирования распределения температуры суперземли, — говорит соавтор исследования Никкху Мадхусудхан из Кембриджского университета. — Это отличный результат, но он весьма своеобразен: одна часть данных говорит, что у планеты не может быть атмосферы, другая часть говорит о том, что что-то там должно перетекать».

И это «что-то», по мнению Демори, скорее всего, расплавленная порода. «Горячая точка 55 Cancri e, если у нее нет атмосферы, подразумевает то, что мы видим голую твердую планету с текущей на ее поверхности лавой, которая частично распределяет тепло на дневной стороне», говорит Демори. Дневная сторона должна быть покрыта морями циркулирующей лавы, и самая легкая и менее вязкая лава должна течь в направлении ночной стороны, где остывает, нагромождается и кристаллизуется в виде твердых пород.

В ином случае, говорит он, у планеты должна быть атмосфера, хотя и весьма странная — с облаками испарившейся породы. Мощные ветры двигали бы облака на восток вместе с вращением планеты, сдвигая горячую точку, но каменный пар также должен был бы быстро остывать и падать на поверхность по достижении ночной стороны.

«Сложно найти смесь компонентов, которые вели бы себя таким образом, — говорит Демори. — Нам нужно что-нибудь веселенькое, что было бы газообразным на дневной стороне, но конденсировалось на ночной стороне. Мы искали, но пока не нашли никакой субстанции, которая удовлетворяла бы этим критериям, поэтому нам нравится вариант с лавой, пока мы не подтвердим обратное».

«Весьма интересно, что у нас есть фазовая кривая суперземли, — говорит Сара Сигер, астроном и планетолог Массачусетского технологического института. — Это показывает, что астрономы делают все возможное, чтобы оптимизировать методы для работы со все меньшими и меньшими планетами, и что природа в очередной раз преподнесла нам любопытную планету, вращающуюся недалеко от яркой звезды».

Твердая цель

Но не все уверены в том, что 55 Cancri e — это лавовый мир или что фазовая кривая планеты от Спитцера вообще верна. Николас Коуэн, астроном Университета Макгилла, который использовал данные Спитцера для создания тепловых карт газовых гигантов среди экзопланет, не уверен, что старенький телескоп может справиться с задачей исследования миров поменьше.

«Сырые данные телескопа часто демонстрируют вариации в несколько процентов, которые никаким боком не затрагивают вопрос планеты или даже ее родительской звезды», говорит Коуэн. Но в отличие от этого, изменения, заявленные для сдвига яркости 55 Cancri e, измеряются в частях на миллион. Такие тончайшие измерения стали вообще в принципе, поскольку родная звезда планеты очень яркая и, следовательно, предоставляет больше фотонов для работы астрономам. Кроме того, 55 Cancri e проходит перед звездой, если смотреть с Земли, отбрасывая тень, в которой астрономы могут поискать информацию о возможной атмосфере планеты и ее поверхности.

«Но если честно, это захватывающий результат, который знаменует собой столкновение экзогеологии и экзоклиматологии, — продолжает Коуэн. — Я подозреваю, что сигнал скорее инструментальный, чем астрофизический по своей природе. Спитцер работает лучше, чем должен, но и мы склонны запрягать его по самое не хочу. Мы извлекаем науку, тщательно прорабатывая все варианты, по которым сам космический аппарат и инструменты могли вызывать постепенно изменение яркости системы. Мы весьма уверены, что можем доверять нашим моделям работы Спитцера десять тысяч раз без одного; мы на неизведанной территории ровно до тех пор, пока нас беспокоит поведение детектора».

Хизер Нутсон, астроном Калифорнийского технологического института, которая изобрела тепловое картирование гигантских экзопланет для Спитцера, настроена скептически. «Вопрос на миллиард долларов на самом деле такой: 55 Cancri e — это, по сути, твердая планета, но совсем без или с небольшой атмосферой?», говорит она.

Нутсон входит в команду под руководством ее бывшего аспиранта Бьерна Беннеке, который теперь использует космический телескоп Хаббл для изучения планет в поисках атмосферы. В частности, они смотрят на планету во время транзита, ожидая расширения планетарной тени, связанного с тем, что звездный свет поглощается богатой водородом атмосферой. Другая группа ученых уже взяла публично доступные данные наблюдательной программы Беннеке, чтобы заявить об обнаружении атмосферы на 55 Cancri e, но Нутсон сомневается и в этих результатах.

«Эта планета была целью многих наблюдательных кампаний, как с помощью Хаббла, так и Спитцера, и мы до сих пор не нашли ответы на простые вопросы о составе ее недр и наличии атмосферы, — говорит Нутсон. — Это говорит о сложности наблюдения таких небольших планет».

Погружаемся глубоко

Если 55 Cancri e представляет собой лавовый мир, он может открыть новые границы в изучении экзопланет. Из тысяч ныне известных экзопланет, большинство является теплыми суперземлями, пребывающими вблизи своих звезд, что говорит о большой распространенности этого типа планет в нашей галактике. Запущенные в 2017 году спутник TESS и CHEOPS должны коллективно открыть и изучить намного больше миров, подобных 55 Cancri e.

Группа CHEOPS уже планирует обширные наблюдения Cancri 55 e, говорит Демори, в поисках плюмов или других выбросов, связанных с возможными извержениями вулканов. Космический телескоп Джеймса Вебба, запуск которого запланирован на 2018 год, мог бы изучить химический состав испаренного материала, выжженного с поверхности планеты мощным излучением звезды, «понюхать порох пород», вроде пироксена и оливина, чтобы изучить геохимические циклы далекого мира. И развеять мнение о том, что Cancri 55 e содержит океаны лавы, раз и навсегда.

«Люди могут удивиться, почему этот вид планет интересен, если он совершенно непригоден для жизни, в отличие от Земли, — говорит соавтор исследования Влада Стаменкович, геолог Калтеха. — Но чтобы понять планеты земного типа, нам нужно понять их химию и внутренние процессы, которые управляют важными для жизни океанами и атмосферами. Отчасти расплавленные планеты вроде 55 Cancri e могли бы помочь нам узнать больше о том, что находится внутри них, и как они сделаны».

Эти планеты полезны, но похожи на ад — вряд ли вы захотите на них жить. И все же они будут чрезвычайно полезны для понимания других планет, на одну из которых в один прекрасный день мы могли бы попасть, встретить местный рассвет и проводить местное солнце, потягивая вкуснятину из местного кокоса.