The spaceway

Хотя они и не вращаются вокруг нашего Солнца, субнептуны являются наиболее распространённым типом экзопланет, или планет за пределами нашей солнечной системы, которые были наблюдаемы в нашей галактике. Эти небольшие газовые планеты окутаны тайной… и зачастую густым туманом. Теперь, благодаря наблюдениям экзопланеты TOI-421 b, космический телескоп Джеймса Уэбба от NASA помогает учёным лучше понять субнептуны так, как это было невозможно до запуска телескопа.

"Я ждала всю свою карьеру момента, когда появится Уэбб, чтобы мы могли значимо охарактеризовать атмосферы этих меньших планет," — говорит главный исследователь Элиза Кемптон из Университета Мэриленда в Колледж-Парке. "Изучая их атмосферы, мы получаем лучшее понимание того, как субнептуны образовались и развивались, и частью этого является понимание, почему они не существуют в нашей солнечной системе.".

Маленькие, холодные, окутанные туманом!
Существование субнептунов стало неожиданностью до их открытия с помощью退休 NASA космического телескопа Кеплера в прошлом десятилетии. Теперь астрономы пытаются понять, откуда пришли эти планеты и почему они так распространены.

До появления Уэбба учёные имели очень мало информации о них. Хотя суб-Нептуны в несколько раз больше Земли, они всё ещё значительно меньше газовых гигантов и, как правило, холоднее горячих Юпитеров, что делает их наблюдение гораздо более сложным по сравнению с их газовыми аналогами.

Ключевым открытием до появления Уэбба было то, что большинство атмосфер субнептунов имели плоские или безликие спектры передачи. Это означает, что когда учёные наблюдали спектр планеты, проходящей перед её звёздным хозяином, вместо того чтобы видеть спектральные особенности — химические отпечатки, которые могли бы раскрыть состав атмосферы — они видели лишь плоский спектр. Астрономы сделали вывод из всех этих плоских спектров, что по крайней мере некоторые субнептуны, вероятно, были сильно затенены облаками или туманами.

Другой вид субнептуна?
"Почему мы наблюдали эту планету, TOI-421 b? Потому что мы думали, что, возможно, у неё не будет туманов," — говорит Кемптон. "И причина в том, что существовали некоторые предыдущие данные, которые подразумевали, что, возможно, планеты в определённом температурном диапазоне менее окутаны туманом или облаками, чем другие."

Этот температурный порог составляет около 1,070 градусов по Фаренгейту. Ниже этой отметки учёные предположили, что между солнечным светом и метаном будет происходить сложный набор фотохимических реакций, что приведёт к образованию тумана. Но более горячие планеты не должны содержать метан и, следовательно, не должны иметь туман.

Температура TOI-421 b составляет около 1,340 градусов по Фаренгейту, что значительно превышает предполагаемый порог. Без тумана или облаков исследователи ожидали увидеть ясную атмосферу — и они её увидели!

Удивительное открытие!
«Мы наблюдали спектральные особенности, которые можем отнести к различным газам, и это позволило нам определить состав атмосферы», — заявил Брайан Дэвенпорт из Университета Мэриленда, аспирант третьего курса, который провёл основной анализ данных.

«В отличие от многих других субнептунов, которые были ранее наблюдаемы, мы знаем, что их атмосферы состоят из чего-то, но это скрыто за туманом».

Команда обнаружила водяной пар в атмосфере планеты, а также предварительные признаки угарного газа и диоксида серы. Однако были и молекулы, которые они не смогли зафиксировать, такие как метан и углекислый газ. Из полученных данных можно также сделать вывод о значительном содержании водорода в атмосфере TOI-421 b.

Легкая водородная атмосфера стала большим сюрпризом для исследователей. «Мы недавно привыкли к мысли о том, что первые несколько субнептунов, наблюдаемых с помощью Уэбба, имели атмосферы с тяжёлыми молекулами, поэтому это стало нашим ожиданием, а затем мы обнаружили противоположное», — отметила Кемптон. Это предполагает, что TOI-421 b могла сформироваться и эволюционировать иначе, чем более холодные субнептуны, наблюдаемые ранее.

Уникален ли TOI-421 b?
Атмосфера, богатая водородом, представляет собой интересное явление, поскольку она напоминает состав звезды, вокруг которой вращается TOI-421 b. «Если вы просто возьмёте тот же газ, который составил звезду-хозяина, добавите его к атмосфере планеты и охладите до более низкой температуры, характерной для этой планеты, вы получите ту же комбинацию газов. Этот процесс больше соответствует гигантским планетам в нашей солнечной системе и отличается от других субнептунов, которые были наблюдаемы с помощью Уэбба», — отметила Кемптон.

Помимо того, что TOI-421 b горячее, чем другие субнептуны, ранее наблюдаемые с помощью Уэбба, он вращается вокруг звезды, подобной Солнцу. Большинство других субнептунов, которые были изучены до сих пор, обращаются вокруг меньших и более холодных звёзд, известных как красные карлики.

Является ли TOI-421 b символом горячих субнептунов, вращающихся вокруг звёзд, подобных Солнцу, или же это всего лишь свидетельство разнообразия экзопланет? Чтобы выяснить, исследователи намерены наблюдать больше горячих субнептунов, чтобы определить, является ли это уникальным случаем или более широкой тенденцией. Они надеются получить новые сведения о формировании и эволюции этих распространённых экзопланет.

«Мы открыли новый способ изучения этих субнептунов», — заявил Дэвенпорт. «Эти высокотемпературные планеты поддаются характеристике, поэтому, изучая субнептуны этой температуры, мы, возможно, сможем ускорить наше понимание этих планет».

С момента, как Альберт Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности, черные дыры стали предметом как восхищения, так и тревоги в научном сообществе. Особенно интересует одна загадочная особенность: сингулярность в центре этих загадочных объектов. Это место, где законы физики, как мы их знаем, кажутся несостоятельными.

Но не будем даваться в панику. Исследователи ведут активную работу над альтернативными моделями, которые обошли бы эту неприглядную проблему. Свежая статья, опубликованная в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, представляет результаты работы Института фундаментальной физики вселенной (IFPU) в Триесте. В ней обсуждаются две альтернативные модели черных дыр, а также предлагаются наблюдательные тесты, которые могут помочь в понимании этих глубоких космических тайн.

Загадка черных дыр и сингулярностей?

Как сказал Стефано Либерати, один из авторов статьи, "здесь обитают львы" – другая метафора для описания трудных мест, как сингулярность в центре черных дыр. Чтобы понять весь контекст, стоит немного углубиться в историю. В 1915 году Эйнштейн обнародовал свою первую основополагающую работу, а в том же году немецкий физик Карл Шварцшильд вывел решение уравнений Эйнштейна, которое открыло двери к пониманию черных дыр.

С тех пор черные дыры стали символами физической теории, интересной и пугающей одновременно. Сингулярность, которая возникает в центре черной дыры, стала флагманом проблем, вызвавшей долгие споры среди ученых. Если эта точка реальна, значит, общая теория относительности теряет свою силу в экстремальных условиях.

Тем не менее, несмотря на все споры, научные доказательства черных дыр только накапливаются. Все началось с награжденных Нобелевской премией исследований, связанных с гравитационными волнами и удивительными изображениями, полученными Телескопом горизонта событий. Но, к сожалению, эти свидетельства не предоставили окончательных ответов по вопросу сингулярностей.

Новая эпоха: исследование без сингулярностей.

"Мы можем описывать физику черных дыр лишь до некоторого расстояния от центра. За этим пределом лежит тайна," – подчеркивает Либерати. Именно поэтому ученые стремятся найти парадигму, в которой сингулярности "заживляются" из-за квантовых эффектов. В рамках новой работы Либерати и его команда предложили две модели, которые могут освободить нас от необходимости говорить о сингулярностях.

Примечательно, что статью можно рассматривать как расширение совместных обсуждений среди экспертов. Это не просто работа одной группы — это синтез идей от молодых и опытных исследователей, которые собрались на семинаре IFPU. С таким подходом они надеются не только совместно решить сложные вопросы, но и обменяться свежими взглядами и идеями.

Две альтернативы: объекты без сингулярностей.

В своей работе авторы описали три основные модели: стандартная черная дыра с сингулярностью, регулярная черная дыра, якая устраняет сингулярность, и имитатор черной дыры, который может воспроизводить внешние характеристики черной дыры, но не имеет ни сингулярности, ни горизонта событий.

Каждая из этих моделей имеет потенциал и уникальные особенности, которые могут помочь в их будущем различении. Наблюдения, собранные за последние годы, были значительными, но до сих пор не давали полной картины. Теперь ученые стремятся изучить, как наблюдательные тесты могут помочь различить эти модели и, возможно, раскрыть тайны, скрытые в недрах черных дыр.

Обнадеживающее будущее: на пороге новых открытий!

Текущие знания не позволяют точно сказать, какие именно отличия нам следует искать, но ожидания теоретических достижений и численных симуляций воодушевляют. Эти исследования могут стать основой для новых наблюдательных инструментов, разработанных специально для альтернативных моделей.

Астрономы обнаружили планету, которая вращается вокруг редкой пары необычных звезд под углом 90 градусов. Это первое убедительное свидетельство существования таких «полярных планет», которые вращаются вокруг звездной пары. Удивительное открытие было сделано с использованием Очень Большого Телескопа (VLT) Европейской Южной Обсерватории.

За последние годы было обнаружено несколько планет, вращающихся вокруг двух звезд одновременно, подобно вымышленному миру Татуин из «Звёздных войн». Обычно такие планеты занимают орбиты, которые примерно совпадают с плоскостью, в которой их звезды вращаются друг вокруг друга. Ранее существовали намеки на то, что планеты с перпендикулярными или полярными орбитами вокруг двойных звезд могут существовать: теоретически такие орбиты являются стабильными, и были обнаружены диски формирования планет на полярных орбитах вокруг звездных пар. Однако до сих пор у нас не было четких доказательств существования этих полярных планет.

«Я особенно рад быть вовлеченным в обнаружение убедительных доказательств того, что такая конфигурация существует», — говорит Томас Бейкрофт, аспирант Бирмингемского университета в Великобритании, который возглавил исследование, опубликованное сегодня в журнале Science Advances.

Непревзойденная экзопланета, получившая название 2M1510 (AB) b, вращается вокруг пары молодых коричневых карликов — объектов, которые больше газовых гигантов, но слишком малы, чтобы считаться настоящими звездами. Эти два коричневых карлика создают затмения друг друга, наблюдаемые с Земли, и входят в категорию, которую астрономы называют затмеванием бинарных систем. Эта система невероятно редка: это всего лишь вторая пара затмевающихся коричневых карликов, известная на сегодняшний день, и она содержит первую экзопланету, когда-либо найденную на орбите, перпендикулярной орбите ее двух звезд-хозяев.

«Планета, вращающаяся не только вокруг двойной системы, но и вокруг двойного коричневого карлика, и находящаяся на полярной орбите — это довольно невероятно и захватывающе», — говорит соавтор исследования Амори Триод, профессор Бирмингемского университета.

Команда обнаружила эту планету, уточняя орбитальные и физические параметры двух коричневых карликов, собирая наблюдения с помощью инструмента Ультрафиолетового и Визуального Эшелонного Спектрографа (UVES) на VLT в обсерватории Паранал, Чили. Пара коричневых карликов, известная как 2M1510, была впервые обнаружена в 2018 году Триодом и другими с помощью проекта Поиск обитаемых планет, затмевающих ультрахолодные звезды (SPECULOOS), также находящегося в Паранале.

Астрономы наблюдали, как орбитальный путь двух звезд в 2M1510 подвергался необычным колебаниям, что привело их к выводу о существовании экзопланеты с таким странным углом орбиты. «Мы рассмотрели все возможные сценарии, и единственным, который соответствует данным, является наличие планеты на полярной орбите вокруг этой бинарной системы», — говорит Бейкрофт.

«Это открытие произошло случайно, поскольку наши наблюдения не были собраны с целью поиска такой планеты или орбитальной конфигурации. Таким образом, это стало большим сюрпризом», — отмечает Триод. «В целом, я думаю, это показывает нам, астрономам, а также широкой публике, что возможно в этом увлекательном Вселенной, которую мы населяем».