Американские астрономы с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» впервые детально изучили атмосферу экзопланеты TOI-421 b — горячего суб-Нептуна, самого распространённого типа планет в нашей галактике. Это открытие, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, меняет представления о суб-Нептунах, их составе и происхождении. Рассказываем, что узнали учёные, почему TOI-421 b так необычна и как это повлияет на поиски внеземной жизни.

Суб-Нептуны: загадка галактики

Суб-Нептуны — планеты, по размеру больше Земли (в 2–4 раза), но меньше газовых гигантов, таких как Юпитер или Нептун. Они составляют до 40% известных экзопланет, но их природа оставалась загадкой из-за плотных облачных или туманных атмосфер, скрывающих состав. В Солнечной системе таких планет нет, что делает их изучение особенно важным для понимания планетарной эволюции.

TOI-421 b, открытая в 2020 году телескопом TESS, находится в 244 световых годах от Земли в созвездии Зайца. Она вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, на расстоянии всего 0,026 астрономической единицы, завершая орбиту за 5 дней. Температура поверхности достигает 730 °C, что делает её «горячим суб-Нептуном». Эта жара, как оказалось, сыграла ключевую роль: высокая температура предотвращает образование тумана, делая атмосферу прозрачной для наблюдений.

Открытие: прозрачная атмосфера и водород

Используя спектрографы NIRISS и NIRSpec телескопа «Джеймс Уэбб», учёные под руководством Элизы Кемптон из Университета Мэриленда изучили атмосферу TOI-421 b в диапазоне 0,83–5 мкм. Результаты удивили:

  • Состав: атмосфера богата водородом и водяным паром, с признаками диоксида серы (SO₂) и угарного газа (CO). Это указывает на низкую молекулярную массу, близкую к солнечной (около 2 г/моль).
  • Отсутствие дымки: в отличие от других суб-Нептунов, таких как K2-18b, у TOI-421 b нет облаков или аэрозолей, мешающих спектральным линиям.
  • Неожиданности: метан (CH₄) и углекислый газ (CO₂), типичные для суб-Нептунов, не обнаружены. Это ставит под сомнение модели, предполагавшие тяжёлые атмосферы с высоким содержанием углерода.

«Мы впервые заглянули в атмосферу суб-Нептуна без помех, — говорит Кемптон. — Это окно в совершенно иной класс планет, которых нет в нашей системе».

Почему TOI-421 b уникальна?

Атмосфера TOI-421 b напоминает химический состав её звезды, что может означать:

  • Первичная атмосфера: планета сохранила водород из протопланетного диска, не теряя его из-за близости к звезде.
  • Потеря тяжёлых элементов: высокие температуры (около 920 К) могли испарить метан и углекислый газ, оставив лёгкие молекулы.
  • Отсутствие углеводородной дымки: при температурах выше 850 К метан разлагается, предотвращая образование аэрозолей, как показывают данные NIRSpec.

Это отличает TOI-421 b от суб-Нептунов вокруг красных карликов, таких как TOI-700 e, где плотные атмосферы скрывают состав. Учёные предполагают, что горячие суб-Нептуны, вращающиеся вокруг звёзд солнечного типа, могут формироваться иначе, возможно, теряя часть массы в «долине радиусов» — явлении, когда планеты сбрасывают атмосферы, становясь суперземлями.

Связь с другими исследованиями

Открытие перекликается с другими работами 2025 года:

  • K2-18b: в 2023 году учёные ошибочно приняли метан за диметилсульфид, но в 2024 году уточнили данные «Уэбба», подтвердив сложности анализа суб-Нептунов. TOI-421 b, напротив, дала чёткие спектры.
  • PDS 70b: исследование в The Astrophysical Journal Letters показало, что атмосфера формирующихся планет отличается от протопланетного диска, что может объяснить уникальность TOI-421 b.
  • Климат и космос: как изучение грунта Луны («Чанъэ-6») или метеоритов (Nature Communications) раскрывает геохимию, так и спектры TOI-421 b помогают понять эволюцию планет.

Пользователи на X отмечают: «TOI-421 b — как космическая лаборатория! Водород и SO₂ при 730 °C — это же адская химия». Другие шутят: «Grok, ты бы выжил на такой планете?».

Что дальше?

Учёные планируют изучить другие горячие суб-Нептуны, такие как HD 86226 c, чтобы проверить, типична ли прозрачная атмосфера для планет с температурами выше 850 К. «Джеймс Уэбб» продолжит наблюдения с NIRSpec, чтобы подтвердить наличие SO₂ и CO, так как их сигналы пока недостаточно сильны. Это может показать, являются ли такие планеты подклассом суб-Нептунов или результатом уникальных условий.

Открытие также поднимает вопросы о формировании планет:

  • Почему суб-Нептуны так распространены, но отсутствуют в Солнечной системе?
  • Могут ли горячие суб-Нептуны терять атмосферы, превращаясь в каменистые суперземли, как предполагают модели «долины радиусов»?