Самое вонючее место в галактике: экзопланета L 98-59 d с атмосферой из сероводорода не вписалась ни в одну из двух главных гипотез о малых планетах

В планетологии есть проблема, которую принято называть «долиной радиусов». При статистическом анализе данных телескопа Kepler выяснилось, что планеты с размерами между 1,5 и 4 радиусами Земли делятся на два лагеря. Одни — суперземли: относительно компактные и плотные. Другие — субнептуны: крупнее, рыхлее, окутанные газом. Между ними — зона, где планет подозрительно мало. Почему — вопрос, на который последнее десятилетие пытались ответить двумя способами.

Первый: все эти планеты рождаются одинаково — каменное ядро плюс захваченная из окружающего газа водородная оболочка. Потом звезда облучает их жёстким ультрафиолетом, и те, что ближе или легче, теряют оболочку — становятся суперземлями. Те, что удержали газ, — остаются субнептунами. Второй вариант: разница закладывается при формировании. Одни планеты собрали много воды, другие — мало. Водные миры против сухих каменных шаров.

Обе гипотезы работают на уровне статистики. Но когда JWST присмотрелся к конкретной планете L 98-59 d, ни одна из них не подошла.

Слишком лёгкая планета

L 98-59 — система из трёх транзитных планет вокруг небольшого красного карлика в 35 световых годах от нас. Самая дальняя из тройки, планета d, по размеру лишь в 1,6 раза крупнее Земли. На первый взгляд — рядовая суперземля. Но её плотность — от 2,2 до 3,45 г/см³, в зависимости от способа оценки массы. Для понимания: Земля имеет плотность 5,5 г/см³, и даже планета целиком из горных пород, без железного ядра, была бы плотнее. Значит, внутри L 98-59 d или вокруг неё — большое количество лёгкого газа.

«Хаббл» ещё несколько лет назад исключил атмосферу из чистого водорода. А вот JWST обнаружил конкретные молекулы: сероводород (H₂S) и диоксид серы (SO₂) в водородном фоне. Средняя молекулярная масса атмосферы — около 9 единиц. Это тяжелее чистого водорода, но значительно легче водяного пара или углекислого газа.

Интересный момент. Сероводород — это тот самый газ, который пахнет тухлыми яйцами. Диоксид серы — запах горящей спички и вулканических фумарол. Атмосфера L 98-59 d состоит преимущественно из водорода, обильно приправленного обоими этими соединениями. Так что если, гипотетически, туда добраться — космонавт, возможно, окажется в самом вонючем месте в известной нам части галактики — планете, пахнущей одновременно тухлятиной и горелой серой. Впрочем, при поверхностном давлении в десятки тысяч атмосфер и температуре под две тысячи градусов обоняние было бы последней из проблем.

Но вернёмся к науке. Комбинация параметров — низкая плотность, серная атмосфера, умеренная молекулярная масса — не объясняется ни одним из двух стандартных сценариев. Для газового карлика атмосфера слишком тяжёлая и слишком химически сложная. Для водного мира — наоборот, слишком лёгкая, и в ней не хватает воды и кислородсодержащих молекул.

Девятьсот вариантов биографии

Команда Гаррисона Николлса из Оксфорда и Кембриджа зашла с другой стороны. Вместо того чтобы подбирать объяснение к сегодняшним наблюдениям, они промоделировали всю жизнь планеты — от рождения до нынешнего возраста (около 4,9 миллиарда лет). Использовали вычислительную платформу PROTEUS, которая одновременно рассчитывает состояние недр и атмосферы: как остывает мантия, как из расплава выделяются газы, как звезда облучает верхние слои и сдувает их в космос, как приливные силы разогревают внутренности планеты.

Прогнали 900 моделей с разными начальными условиями: разный запас водорода, разное соотношение серы к водороду, разная химическая обстановка в недрах, разная масса. Каждую модель довели до возраста 4,9 миллиарда лет и сверили результат с тем, что показывают телескопы.

Большинство сценариев отсеялось. Планеты с небольшим начальным запасом летучих остывали быстро: мантия затвердевала за первые сотни миллионов лет, весь дегазированный водород улетал под ультрафиолетом звезды, и к нынешнему возрасту планета приходила пустой и плотной.

Чтобы к пяти миллиардам лет получить наблюдаемую низкую плотность и серную атмосферу, нужен большой начальный запас: летучие вещества (водород, углерод, азот, кислород, сера) должны составлять не менее 1,8 % массы планеты, а содержание водорода в мантии — превышать 13 000 частей на миллион. Это более чем в сто раз больше, чем предполагается для ранней Земли.

Ещё одно жёсткое ограничение: химическая обстановка в недрах должна быть восстановительной. Проще говоря, мантия L 98-59 d бедна кислородом по сравнению с земной. В окислительных условиях газы, выделяющиеся из расплава, были бы богаты кислородсодержащими молекулами, атмосфера стала бы тяжелее, и данные JWST не воспроизводились бы. Ничего подобного не наблюдается в Солнечной системе — геохимия L 98-59 d не похожа ни на земную, ни на марсианскую, ни на венерианскую.

Пять миллиардов лет непрерывного усыхания

Самое интересное, что показали модели, — это масштаб перемен. В молодости L 98-59 d выглядела совершенно иначе. Её радиус превышал 2,2 земного — по всем критериям это был субнептун, рыхлый и раздутый. Некоторые варианты модели удерживали её в субнептуновом статусе почти миллиард лет.

Сжатие шло в два этапа. Первые примерно 1,4 миллиарда лет определяло остывание. Поверхность охладилась с 3 360 до 1 830 градусов, горячая атмосфера осела, и радиус сократился до ~1,74 земного. При этом давление у поверхности не уменьшилось — оно даже выросло, потому что застывающая мантия продолжала выдавливать растворённые газы наружу. Просто остывший газ занимает меньший объём.

Потом вступил в силу второй механизм — потеря вещества. Рентгеновское и ультрафиолетовое излучение звезды разогревает верхние слои атмосферы и выбрасывает их в космос. За время жизни планета лишилась примерно четверти начального запаса летучих. Радиус медленно уменьшался до нынешних ~1,6 земного.

Вывод: обнаружь мы L 98-59 d полтора миллиарда лет назад, мы записали бы её в субнептуны. Она стала суперземлёй постепенно, в результате непрерывной потери газа и остывания. Данные обзора Kepler, фиксирующие подозрительно много молодых субнептунов, хорошо укладываются в эту картину: часть из них, вероятно, ещё не завершила переход.

Почему мантия не застыла за пять миллиардов лет

Все сценарии, совместимые с наблюдениями, сходятся в одном: мантия L 98-59 d до сих пор наполовину расплавлена. Плотная атмосфера создаёт мощный парниковый эффект и замедляет остывание поверхности. Приливные силы — звезда деформирует планету, и внутреннее трение нагревает породу — добавляют энергии. А при доле расплава около 45 % вязкость мантии резко возрастает: полузастывшая порода плохо переносит тепло, внутренняя энергия запирается, и расплав стабилизируется.

Незастывший магматический океан играет ключевую роль в химии планеты. Сера хорошо растворяется в горячем силикатном расплаве восстановительного состава. Водород — значительно хуже. Поэтому при дегазации в атмосферу уходит в основном водород, а сера остаётся в расплаве. Звезда сдувает преимущественно лёгкий водород, обогащая атмосферу серой. За время жизни соотношение серы к водороду в атмосфере выросло более чем в восемь раз. Магматический океан действует как долговременное хранилище серы, постепенно отпуская её по мере кристаллизации. Именно поэтому атмосфера L 98-59 d настолько насыщена серными соединениями.

Откуда берётся диоксид серы

Один из главных вопросов: как в восстановительной водородной атмосфере существует SO₂? При высоких температурах и давлениях сера предпочитает находиться в форме H₂S, а не SO₂. Дегазация из магмы тоже не помогает — SO₂ тяжёлая молекула, и ей не подняться через тысячи километров водородной атмосферы диффузией, тем более что в горячих нижних слоях она немедленно была бы разрушена.

Ответ — фотохимия. Ультрафиолет звезды разрушает молекулы водяного пара в верхних слоях атмосферы. При этом образуются реактивные фрагменты — гидроксильные радикалы (OH). Они вступают в реакцию с H₂S и окисляют его до SO₂. Тот же самый процесс подтверждён для горячего юпитера WASP-39b — там JWST зафиксировал SO₂ именно таким путём.

Авторы проверили это расчётами с помощью фотохимического кода VULCAN. С включённой фотохимией содержание SO₂ в верхней атмосфере выходит на значения, согласующиеся с данными JWST. Без фотохимии — SO₂ практически отсутствует. При этом H₂S согласуется с наблюдениями в любом варианте: он термодинамически устойчив в водородном фоне.

Из этого следует обязательное условие: в атмосфере L 98-59 d должен быть водяной пар. Без воды не образуются OH-радикалы, а без них нет SO₂. Точное содержание воды пока не измерено — спектральные линии H₂O накладываются на линии других молекул, и JWST не смог их разделить достаточно чётко. Но если будущие наблюдения обнаружат воду на уровне около процента, это подтвердит предложенный механизм напрямую.

Что из этого следует

Статья фиксирует несколько выводов.

Во-первых, для L 98-59 d не работает ни гипотеза газового карлика, ни гипотеза водного мира. Необходим третий сценарий: планета рождается с большим запасом летучих, растворённых в расплавленной мантии, начинает жизнь как субнептун и постепенно уменьшается до суперземли за миллиарды лет остывания и потери атмосферы. Магматический океан при этом не застывает и служит долгоживущим источником газов — прежде всего серных.

Во-вторых, химический состав атмосферы маленькой каменистой планеты напрямую зависит от того, что происходит в её недрах. Соотношение серы, водорода и углерода в атмосфере отражает процессы растворения и дегазации в магме. Это значит, что по спектру атмосферы можно делать выводы о состоянии мантии — расплавлена она или застыла — на расстоянии десятков световых лет.

В-третьих, фотохимия оказывается необходимым элементом для понимания спектров суперземель. Без неё не объяснить присутствие SO₂ в восстановительной атмосфере.

Наконец, если этот эволюционный путь типичен, значительная часть наблюдаемых субнептунов может находиться в процессе превращения в суперземли. Долина радиусов — не граница между двумя типами планет, а зона перехода, через которую планеты проходят с разной скоростью в зависимости от начального запаса газа, расстояния до звезды и химии мантии.

Сколько из тех тысяч объектов, которые Kepler записал в суперземли, на самом деле — бывшие субнептуны, уже потерявшие оболочку? И сколько нынешних субнептунов через пару миллиардов лет усохнут до суперземель, унеся с собой в недра запас серы, который мы сегодня ещё можем разглядеть в их спектрах? L 98-59 d — первый объект, для которого этот путь прослежен количественно.

Источник: Nature Astronomy