Уэбб унюхал серу
В атмосфере экзопланеты WASP-39b астрономы обнаружили сернистый газ, образующийся при фотохимическом окислении сероводорода.
В нашей Галактике пара сотен миллиардов звёзд, и по современным представлениям у многих из этих звёзд есть свои планеты, точнее, экзопланеты. Однако астрономы на сегодня обнаружили лишь около 5 000 экзопланет – не потому что их нет, а из-за того, что найти экзопланету у далёкой звезды не так-то просто. Планеты – не звёзды, за очень редким исключением они не светятся, поэтому увидеть за световые годы от Земли «шарик» экзопланеты, пусть даже такой большой, как наш Юпитер, ни в один телескоп не получится.Но коль скоро экзопланеты не излучают свет, они могут его загораживать, когда пролетают между звездой и наблюдателем с Земли. Вот этого небольшого «затемнения» звезды хватает, чтобы понять, что у звезды есть как минимум одна планета. И чем больше экзопланета и чем ближе она располагается к своей звезде, тем надёжнее будет её обнаружение (хотя это и не единственный способ «увидеть» экзопланету). Поэтому основу «зоопарка» известных экзопланет составляют так называемые «горячие юпитеры» или «горячие сатурны» – большие экзопланеты, расположенные на орбитах, очень близких к светилу. Как если бы у нас Юпитер находился к Солнцу ближе, чем Меркурий.
Например, такая «классическая» экзопланета из класса горячих сатурнов находится примерно на расстоянии 700 световых лет от нас рядом со звездой WASP-39 из созвездия Девы. Экзопланета WASP-39b немного больше Юпитера, расположена очень близко к своей звезде (в 8 раз ближе орбита Меркурия) и полный оборот вокруг неё совершает всего за 4 дня. Из-за этого температура на её поверхности достигает высоких 900°C. Вряд ли там можно найти какую-то жизнь, уж больно на ней горячо, но WASP-39b – неплохой объект для изучения особенностей формирования планетных систем.
И в этом деле астрономам очень помогает новый космический телескоп «Джеймс Уэбб». Его чувствительности хватает не только чтобы уловить крохотное затемнение звезды во время прохода экзопланеты, но и чтобы исследовать состав экзопланетной атмосферы. Дело в том, что когда экзопланета заслоняет собой свет от своей звезды, часть лучей этого света проходит через слой атмосферы экзопланеты. Примерно как если вы фотографируете свою подругу в контровом свете, и солнечные лучи просвечивают кончики её волос. Та небольшая часть света звезды, прошедшая сквозь экзопланетную атмосферу, может многое сказать о её химическом составе – какие химические вещества и в каком количестве в ней присутствуют. Если, конечно, чувствительность телескопа и установленных на нём приборов позволяет фиксировать разницу в спектре света звезды, когда она светит «сквозь» экзопланету, и когда нет. «Уэббу» такое по зубам, поэтому коллектив астрономов опубликовал на днях аж целых 5 препринтов статей (1, 2, 3, 4, 5), посвящённых самому точному на сегодняшний день наблюдению за экзопланетной атмосферой.
Один из самых интересных полученных новых результатов – это присутствие сернистого газа или диоксида серы в атмосфере WASP-39b. Сигнал молекулы получилось выделить из инфракрасных спектров, полученных с помощью «Уэбба» ещё в конце июля 2022 года. До этого в атмосфере WASP-39b удавалось «увидеть» только углекислый газ и воду. Присутствие диоксиды серы указывает на активные фотохимические процессы, протекающие в атмосфере экзопланеты. Дело в том, что атмосфера планет подобного типа – восстановительная, состоит в основном из водорода и гелия. При таких условиях сера будет находиться в форме сероводорода, но не в окисленной форме, в виде диоксида. Он будет нестабилен – в присутствии водорода довольно быстро превратится обратно в сероводород или элементную серу. Поэтому, если в составе атмосферы WASP-39b мы увидели диоксид серы, значит, там постоянно протекает процесс, позволяющий накапливаться сернистому газу.
Исследователи предположили, что диоксид серы образуется в результате атмосферных фотохимических реакций. Свет звезды (а WASP-39b точно не может пожаловаться на его недостаток) «отрывает» от молекул отдельные атомы, превращая их в очень химически активные частицы. В результате свет, «разломав» молекулы воды, сероводорода и водорода, запускает цепочку химических реакций, в результате которых образуется диоксид серы. Молекулы диоксида, конечно, тоже не вечны и точно так же распадаются на запчасти, но под действием света они собираются вновь и вновь. Схожие механизмы приводят, например, к появлению озона в атмосфере Земли.
С одной стороны, чего-то сенсационно-химического в этом открытии нет. Все эти фотохимические реакции уже давно известны, и ничто не запрещало им протекать в атмосферах далёких экзопланет. С другой стороны, важно то, что мы впервые увидели это «своими глазами» с помощью уникального космического телескопа. Допустим, вы знаете, что в Арктике живут белые медведи, а в Антарктиде – пингвины. Вы видели их в дюжине фильмов о дикой природе. Но тут вам в руки попадает «чудо-бинокль», направив который на север, вы можете вживую наблюдать белых мишек и полярных сов, а направив на юг – следить за тем, как вот прямо сейчас пингвины прыгают в океан. Вот и у астрономов появился такой инструмент, благодаря которому мы можем взглянуть на далёкие миры, узнать как они появились и, быть может, когда-нибудь в будущем посмотреть на них вживую.