GJ 436 b обертається навколо червоного карлика на відстані 33 світлових роки від Землі, у сузір’ї Лева. За розміром ця планета близька до Нептуна, а за температурою — набагато гарячіша: рівноважна температура становить приблизно 670 кельвінів (близько 400°C). Планету вивчають вже понад десятиліття, і донедавна здавалося, що її атмосфера більш-менш зрозуміла.

Нові спостереження телескопа Keck II на Гаваях змушують переглянути цю картину. Команда астрономів отримала слабкий, але статистично значущий сигнал від атмосфери планети — і він виглядає інакше, ніж усе, що фіксували раніше.

Волокно проти фонового шуму

Головна складність при спостереженні атмосфер екзопланет — фоновий сигнал від неба, атмосфери Землі та самого телескопа. У інфрачервоному діапазоні цей шум здатний повністю заглушити слабке світло далекої планети.

Дослідники використали інструмент KPIC, встановлений на телескопі Keck II. Його ключова особливість — одномодове оптичне волокно, крізь яке проходить світло перед аналізом спектрометром. Це дозволяє відсіяти більшу частину фонового випромінювання неба: за оцінками авторів, фон у діапазоні L (довжини хвиль 2,91–3,85 мікрометра) вдалося знизити приблизно у 100 разів.

Завдяки цьому вдалося отримати сигнал GJ 436 b із співвідношенням сигнал/шум на рівні 3–4 — це попередня, але цілком робоча детекція методом крос-кореляції з атмосферною моделлю.

Стратосфера там, де її не очікували

Найнесподіваніший результат — модель, яка найкраще пояснює отримані дані, передбачає так звану температурну інверсію. Це означає, що температура в атмосфері планети зростає з висотою, а не падає, як зазвичай відбувається в нижніх шарах атмосфер планет. По суті, це ознака справжньої стратосфери — подібної до тієї, що є в атмосфері Землі.

Ретельний аналіз спектра також вказує на присутність водяної пари, а можливо, і метану, причому ці молекули проявляються в режимі емісії (випромінювання), а не поглинання.

Це прямо суперечить результатам, отриманим раніше телескопом JWST та методом трансмісійної спектроскопії високої роздільної здатності для тієї ж планети — там ознаки цих молекул фіксувалися саме в поглинанні.

Що приховує континуум

Є ще одна дивна деталь. Модель з максимальною правдоподібністю передбачає рівень неперервного (континуумного) випромінювання планети, який значно вищий, ніж можна очікувати виходячи з рівноважної температури GJ 436 b і попередніх спостережень низької роздільної здатності.

Автори роботи пояснюють це особливістю самого методу: під час обробки спектрів високої роздільної здатності інформація про абсолютний рівень континууму значною мірою втрачається. Тобто аналіз залишається чутливим до форми спектральних ліній, але не до загальної яскравості планети. Коли дослідники масштабували модель до рівня яскравості, виміряного раніше спостереженнями низької роздільної здатності, детекція збереглася із подібною силою.

Можливе пояснення самої інверсії — шар димки (аерозолів) у верхній атмосфері планети, над яким і формується тепліший шар. Що саме гріє цю ймовірну стратосферу — питання відкрите.

Автори наголошують, що для остаточного підтвердження потрібні додаткові спостереження, зокрема після проходження планети за зіркою (post-eclipse), які дозволять розділити параметри швидкості планети та системну швидкість — ці величини наразі частково переплутані в моделі. Робота також демонструє, що спектроскопія високої роздільної здатності у діапазоні L придатна для вивчення планет, значно менших і холодніших за гарячі юпітери, які раніше були основними об’єктами такого аналізу.