Международная группа астрономов впервые зафиксировала атмосферу у каменистой экзопланеты, которая находится в обитаемой зоне своей звезды. Этим уникальным объектом стала суперземля LHS 1140b, удаленная от Земли на расстояние 48 световых лет (14,96 парсека). Небесное тело обращается вокруг старого красного карлика, возраст которого превышает 3 миллиарда лет.
До этого момента Земля оставалась единственной известной каменистой планетой с подтвержденной газовой оболочкой.
Ведущий автор исследования Коллин Черубим (Collin Cherubim) разработал специальную модель эволюции атмосфер, предсказывающую существование гелиевых оболочек у подобных экзопланет. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые выполнили спектроскопические наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью спектрографа на оптическом телескопе Магеллана «Клэй». В 2024 году приборы зарегистрировали линию поглощения на длине волны 10 833 ангстрем, что соответствует метастабильному гелию. Глубина поглощения составила 1,24%, указывая на обширную газовую оболочку, чей непрозрачный слой по радиусу в 1,52 раза превосходит саму планету.
В ходе анализа ученые выявили сложную структуру рассеивающегося газа. Был обнаружен опережающий газовый хвост с глубиной поглощения 1,01%, фиксировавшийся еще до начала транзита. Исследователи связывают это явление с взаимодействием планетарного газа со звездным ветром или магнитными полями, а также заметили следы последующего шлейфа. Однако уже в 2025 году поглощение гелия зафиксировать не удалось. Подобная изменчивость свидетельствует о резких колебаниях скорости потери атмосферы, вызванных изменениями рентгеновского и ультрафиолетового излучения звезды либо температурными скачками в верхних слоях.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Радиус суперземли LHS 1140b составляет 1,73 земных, а масса превосходит нашу планету в 5,6 раза. Из-за таких массивных параметров сила тяжести здесь почти в два раза выше земной. Экзопланета находится в приливном захвате, поэтому всегда обращена к звезде одной стороной, образуя постоянные дневное и ночное полушария. Орбитальный период равен 24,7 дня, а объем получаемой от звезды энергии составляет около 42% от солнечного, что поддерживает равновесную температуру на уровне 226 кельвинов (-47 градусов Цельсия).
Утечка атмосферных газов происходит посредством гидродинамического оттока под действием звездного ультрафиолета и рентгена. Скорость потери массы оценивается в пределах от 0,67 × 108 до 1,14 × 108 граммов в секунду. Верхние слои газовой оболочки почти полностью лишены водорода при соотношении водорода к гелию примерно 10-3. Легкий водород улетучился быстрее под воздействием радиации, оставив после себя гелиевый щит. При этом скорость оттока гелия оказалась слишком мала, чтобы увлечь за собой более тяжелые элементы с массой свыше 9 атомных единиц, поэтому углерод, азот и кислород должны накапливаться внизу.
Стабильность плотных слоев поддерживает эффективная холодная ловушка для воды. При текущей температуре водяной пар конденсируется в районе тропопаузы при падении температуры до 194 кельвинов (-79 градусов Цельсия). Это препятствует попаданию влаги в верхние слои и защищает ее от фотодиссоциации с последующей потерей водорода. Компьютерные модели показывают, что под гелиевым щитом планета может удерживать от 9% до 19% воды относительно собственной массы. Точного ответа на вопрос о наличии глобального океана или сухой каменистой поверхности у исследователей пока нет, но нижняя атмосфера вполне способна накапливать углекислый газ, водяной пар и кислород.
Полученные результаты подтверждают концепцию «космической береговой линии» — важной границы, определяющей способность экзопланет удерживать газовую оболочку в зависимости от интенсивности звездного облучения. Система LHS 1140 полностью вписывается в эту теорию: пока LHS 1140b сохраняет атмосферу, ее соседка LHS 1140c с массой 1,91 и радиусом 1,272 от земных, получающая в пять раз больше радиации с орбитальным периодом 3,78 дня, полностью лишилась своей газовой оболочки. Сопоставление свежих данных с архивными наблюдениями телескопов «Джеймс Уэбб» и «Хаббл» открывает путь к проверке теорий о потенциальной пригодности каменистых миров за пределами Солнечной системы для жизни.
