Ультракороткоперіодні кам'янисті планети — це світи, що обертаються навколо своєї зорі за менше ніж земну добу. Через таку близькість вони отримують у сотні разів більше випромінювання, ніж Земля від Сонця, і за всіма теоретичними викладками мали б давно перетворитися на голі скельні кулі без жодного газового шару. Тому виявлення ознак атмосфери на планеті TOI-561 b стало несподіванкою — і нове дослідження за допомогою телескопа James Webb дає найповніше на сьогодні підтвердження цього факту.
Попередні висновки про атмосферу TOI-561 b базувалися на двох речах: оцінці загальної густини планети та спектрі випромінювання її денної півкулі під час затемнення. Обидва підходи дають лише частковий погляд. Повна фазова крива — безперервне спостереження випромінювання планети протягом усього орбітального циклу, включно з переходами день-ніч, — дозволяє набагато точніше відновити картину атмосферної циркуляції, розподілу тепла й наявності хмар.
Тридцять сім годин без перерви
Автори роботи використали спектрограф NIRSpec телескопа James Webb для зйомки планети в діапазоні довжин хвиль 3-5 мкм. Спостереження тривало 37 годин поспіль — достатньо, щоб охопити кілька орбітальних фаз планети та отримати довгу базову лінію поза затемненнями.
Така тривалість виявилася критично важливою. Зоряна поверхня саме через конвективні рухи плазми (гранулювання) створює власний шум, здатний імітувати або маскувати сигнал планети. Маючи довгий безперервний запис, дослідники змогли одночасно моделювати три компоненти: зоряне гранулювання, фазову криву планети та спектр денного випромінювання. Розділивши ці сигнали, вони отримали спектр денної півкулі, який добре узгоджується з попередніми вимірами лише за затемненнями, але значно менш чутливий до зоряної мінливості.
Дзеркало замість печі
Ключовий результат — оцінка енергетичного балансу планети. Порівнявши кількість поглинутого й перевипроміненого тепла, а також зіставивши дані із загальноциркуляційними моделями атмосфери (комп'ютерними симуляціями руху повітряних мас на планетах), автори дійшли висновку: TOI-561 b має високе бондівське альбедо — тобто відбиває значну частку зоряного світла — і лише помірне перенесення тепла з денної на нічну сторону.
Це поєднання нетипове для розпечених кам'янистих планет без атмосфери, які зазвичай поглинають майже все випромінювання і мають різкий перепад температур між півкулями. Високе альбедо натомість характерне для тіл із хмарним покривом, здатним відбивати світло назад у космос.
Силікатні хмари біля термінатора
Використовуючи вихідні дані циркуляційних моделей, дослідники визначили умови тиску й температури, за яких на планеті можуть конденсуватися хмари, і перевірили кілька кандидатних складів. Найкраще спостережувані дані пояснюють хмари з діоксиду кремнію (SiO2) та магнієвого силікату (MgSiO3) — тобто, по суті, конденсований випарований камінь.
За розрахунками, такі хмари можуть формуватися на денній стороні планети поблизу термінатора — межі між днем і ніччю, де температура дещо нижча за пік денного нагріву. Саме там пара кремнієвих сполук здатна охолонути й конденсуватися у мікроскопічні краплі чи кристали, які відбивають вхідне зоряне світло.
Атмосфера, яка живиться з надр
Головний висновок дослідження: TOI-561 b має глобальну відбивну атмосферу, попри екстремальне опромінення. Але щоб зберігатися на планеті, розжареній до точки випаровування гірських порід, така атмосфера має постійно поповнюватися. Інакше зоряний вітер і радіація знищили б її за геологічно короткий час.
Це означає, що між надрами планети та її поверхнею, ймовірно, відбувається безперервний обмін летючими речовинами — вулканічна дегазація чи подібні процеси, що підживлюють атмосферу знизу. Якщо це підтвердиться подальшими спостереженнями, TOI-561 b стане одним із перших прикладів кам'янистої планети поза Сонячною системою з ознаками активного геологічного циклу, що підтримує газову оболонку всупереч усім умовам, які мали б її знищити.
