Молодая экзопланета V1298 Tau b: бедная металлами атмосфера и горячие недра открывают тайны эволюции субнептунов

Астрономы провели анализ атмосферы молодой экзопланеты (возрастом 20 млн лет) и обнаружили, что она необычно прозрачна и «раздута». Изучив особенности атмосферы, ученые смогли точно измерить массу планеты, превзойдя традиционные методы динамических измерений, такие как метод лучевых скоростей, который малоэффективен для активных молодых звезд. Результаты показали, что V1298 Tau b — это прото-субнептун, который до сих пор сохраняет высокую температуру и размеры после недавнего формирования.

Команда под руководством Саугаты Барата (Массачусетский технологический институт, США) и его научного руководителя Жан-Мишеля Дезера (Амстердамский университет, Нидерланды) использовала космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для изучения экзопланеты. Их исследование принято к публикации в The Astrophysical Journal и уже доступно на сервере препринтов arXiv.

V1298 Tau b, возраст которой оценивается в 10–30 млн лет, обладает необычно прозрачной и расширенной атмосферой. Ученые зафиксировали сильные сигналы поглощения от молекул воды, метана, углекислого газа, угарного газа, а также признаки фотохимических процессов, включая возможное наличие диоксида серы (SO₂) и карбонилсульфида (OCS).

Дефицит металлов

Несмотря на богатый спектр, атмосфера оказалась удивительно бедной металлами — их содержание в 100 раз ниже, чем у зрелых субнептунов. Это указывает на то, что планета все еще эволюционирует и со временем может накопить больше тяжелых элементов. Еще одной неожиданностью стал дефицит метана: его концентрация в 100 раз меньше ожидаемой, что может быть следствием экстремального внутреннего тепла и интенсивного вертикального перемешивания в атмосфере.

Столь высокая внутренняя температура противоречит стандартным моделям термической эволюции планет размером с субнептун, ставя под сомнение текущие представления об их формировании. Эти результаты подчеркивают важность дальнейшего изучения молодых планетных атмосфер для понимания изменения их состава со временем.

Ученые предполагают, что атмосфера V1298 Tau b неоднородна и содержит градиенты металличности, подобные наблюдаемым у газовых гигантов Солнечной системы. Это может объяснить как низкую металличность, так и высокую внутреннюю температуру, согласовав наблюдения с существующими моделями.

Субнептуны: новые загадки

«Мы обнаружили, что атмосфера V1298 Tau b значительно прозрачнее, беднее металлами и горячее, чем у ранее изученных субнептунов», — говорит Барат. — Это указывает на то, что эволюционные процессы продолжаются и со временем могут радикально изменить состав атмосферы».

Он добавил: «Наблюдения JWST были необходимы для точного определения массы и состава атмосферы, поскольку телескоп предоставил данные о множественных молекулярных линиях поглощения (H₂O, CH₄, SO₂, CO₂, CO) в ближнем инфракрасном диапазоне».

Неожиданные молекулы

Предыдущие наблюдения с Hubble позволили предположить наличие водяного пара и, возможно, метана. Однако JWST не только подтвердил их присутствие, но и обнаружил другие углеродсодержащие молекулы (CO, CO₂), а также фотохимические соединения. «На момент написания заявки на наблюдения ни одна из этих молекул, кроме воды, не была надежно обнаружена с помощью низкоразрешающей спектроскопии», — отметил Дезер.

«Эти выводы меняют наше понимание формирования субнептунов. Мы показали, что на ранних этапах их атмосферы кардинально отличаются от атмосфер миллиардолетних аналогов», — заключил ученый.

После открытия, связанного с V1298 Tau b, команда присоединилась к масштабной программе JWST Cycle 3, в рамках планируется изучить семь молодых транзитных планет возрастом от 20 до 200 млн лет, чтобы проследить эволюцию их атмосфер.