Астронет: Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ Хаббл уточнил природу планеты GJ 1214b http://variable-stars.ru/db/msg/1259815

Хаббл уточнил природу планеты GJ 1214b
27.02.2012 22:21 | Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ, Москва

К настоящему времени вне Солнечной системы известно уже более 700 планет, кроме того, имеются еще более 2300 кандидатов - они находятся в стадии подтверждения последующими наблюдениями. Эти планеты представляют собой весьма разнообразные миры. Многообразие во всем: одна планета имеет очень малую плотность - легкая и воздушная, как пенополистирол, на другом конце плотностей - планеты еще плотнее, чем железо. Обнаружены несколько инопланетных миров в кратных звездных системах. Наша Солнечная система состоит из трех типов планет: каменистая, земного типа (Меркурий, Венера, Земля и Марс), газовые гиганты (Юпитер и Сатурн) и ледяные гиганты (Уран и Нептун). Планеты, вращающихся вокруг далеких звезд, показывают существенно более широкий спектр возможных миров, в том числе лавовый и "горячие Юпитеры".

Последние наблюдения с помощью космического телескопа НАСА Хаббла добавили еще новый тип в копилку планет. На основе анализа ранее открытой экзопланеты GJ 1214b Zachory Berta (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) и его коллеги показали, что этот водный мир (большая часть ее массы состоит из воды) окутан плотной атмосферой, состоящей из паров воды.

GJ 1214b была открыта в 2009 году в процесе осуществления наземных наблюдений в проекте MEarth, который представляет собой систему роботизированных телескопов, занимающися мониторингом яркости близких красных карликов для обнаружения транзитных планет земного типа, под руководством Дэвида Шарбонно (David Charbonneau). Планета GJ 1214b классифицирована как супер-Земля с диаметром порядка 2,7 диаметра Земли, масса ее в 6.5 раз больше земной. Она вращается вокруг родительской звезды с периодом 38 часов на расстоянии в 0.014 а.е.. По оценкам равновесная температура имеет значение в пределах 393-555 К (в зависимости от принятого значения альбедо).

Среди исследуемых транзитных планет, большинство которых показывают очень слабые транзиты, и для их исследований требуется сверхвысокая точность наземной спектоскопии, GJ 1214b оказалась уникальна. Радиус родительской звезды, карлика класса М, составляет всего 0.21 Rʘ, и транзит планеты по диску звезды велик - 1.4% от потока звезды. При этом система расположена близко к Земле - всего 13 парсек. Т.е. созданы все условия для наблюдений, способных дать информацию и об атмосфере планеты.

Рисунок 1. Возможные сценарии атмосферы экзопланеты. Изображение: Drake Deming.

В 2010 году, Джейкоб Бин и его коллеги сообщили, что при исследовании GJ 1214b на Very Large Telescope они пришли к выводу, что она состоит в основном из воды. Зная массу и размер планеты, можно вычислить плотность, которая составляет около 2 граммов на кубический сантиметр. Напомним, что вода имеет плотность 1 г/см3, а средняя плотность Земли - 5,5 г/см3. Т.е. внутренняя структура GJ 1214b существенно отличается от земной. И должна присутствовать атмосфера: т.к. если планета состоит из плотных пород, то оцененная плотность явно мала. Но структура атмосферы была непонятна. Ранее выдвигались разные модели атмосферы (Рисунок 1.): 1) Атмосфера, состоящая в основном их нейтрального водорода, при транзите излучение звезды поглощается ее молекулами, что должно отражаться в спектре в виде линий поглощения. 2). Атмосфера с малым содержанием водорода, и основная ее масса из более тяжелых элементов расположена вблизи поверхности планеты, и свет от звезды практически не проходит через нее, на спектре ее присутствие не будет видно. 3). Наличие облачной структуры. При этом свет от звезды будет частично блокироваться, что отразится на результирующем спектре. Джейкоб Бин показал, что в атмосфере нет практически водорода, т.е. она содержит или очень мало водорода и состоит из водяных паров или работает сценарий 3) - много облаков и водяных туманов (Haze).

В 2011 году Берта (Zachory K. Berta et al) использовали инфракрасную Широкоугольною камеру 3 (Wide Field Camera 3) в диапазоне длин волн 1.1-1.7 мкм. Туман более прозрачнен для инфракрасного света, поэтому эти наблюдения дают возможность уточнения модели атмосферы.

Рисунок 2. GJ1214b - это супер-Земля, вращающаяся вокруг красного карлика, расположенного на расстоянии 40 световых лет от Земли. Новые наблюдения с помощью космического телескопа НАСА Хаббл показывают, что этот водный мир окутан толстой атмосферой, состоящей из паров воды. Таким образом, GJ1214b представляет собой совершенно новый тип планет, не известных до настоящего времени. Изображение: David A. Aguilar (CFA).

Наблюдения подверглись тщательному анализу и моделированию. Особенности транзита анализировались с разных позиций, учитывались возможность прохожения пятен на родительской звезде и даже возможные спутники у планеты. Атмосфера, богатая водородом, не подошла. "Облачный" сценарий (под термином "облака" подразумеваются все типы частиц, вызывающие широкополосную абсорбцию, типа земных облаков или тумана Титана) тоже не подошел. Спектр GJ 1214b в широком диапазоне длин волн лишен каких-либо характерных линий, что заставляет выбрать модель с большим молекулярным весом (модель 2)). Наиболее подходящей моделью атмосферы по данным телескопа Хаббла является плотная атмосфера из водяного пара. При этом процентное содержание воды - не менее 10% (а по массе это больше 50%) - лучше всего удовлетворяет наблюдаемому спектру (рисунок 3).

Рисунок 3. Сравнение данных WFC3 и наблюдений VLT (0.6-1 m; Bean et al. 2010, 2011), CFHT (1.25 + 2.15 m; Croll et al. 2011), Magellan (2.0-2.3 m Bean et al. 2011), и Spitzer (3.6 + 4.5 m; Desert et al. 2011a) с моделями атмосферы - солнечного типа и состоящей 100% из воды. Изображение: Zachory K. Berta et al.

Если говорить о строении самой планеты, то лучше всего подходит модель ядра большого радиуса, состоящее из воды (льда), окруженного оболочкой из водорода, гелия и воды, причем, процентное содержание воды - 50-98%. Высокие температуры и высокое давление в ядре могут формировать такие экзотические материалы как "горячий лед" или "сверхтекучую воду" - вещества, которые совершенно чужды нашему повседневному опыту.

Теоретики предполагают, что GJ 1214b могла сформироваться вдали от своей звезды, а затем мигрировала к центру системы, подвергаясь постепенному разогреву. В процессе этого она могла пересечь "зону обитания" звезды. Причем,как долго она там могла находиться, неизвестно.

В силу своего близкого расположения - GJ 1214b находится в направлении созвездия Змееносца всего в 40 световых годах от Земли - это главный кандидат на исследование для космического телескопа нового поколения James Webb Space Telescope: он будет способен обнаружить транзиты величиной в 0.01%.