Ученые впервые обнаружили изотоп углерода в атмосфере экзопланеты

В атмосфере газообразной экзопланеты под названием TYC 8998-760-1b астрономы обнаружили форму углерода, известную как углерод-13. Это открытие предполагает, что экзопланета образовалась далеко от своей родительской звезды, в холодных областях ее системы за пределами определенной снеговой линии. По словам ученых, это открытие дает нам новый способ взглянуть на малоизученный процесс формирования планет, сообщает Sciencealert

Снеговая линия — это характеристика протопланетной системы звезды, расстояние от светила, на котором температура становится достаточно низкой для того, чтобы простые летучие соединения (такие как вода, аммиак, метан, молекулярные азот и хлор) переходили в твердое состояние. Используются различные значения температур, при которых в протопланетном диске создаются такие условия, примерно от -100 С до -135 С, если речь идет о воде. Для текущей светимости Солнца этому соответствует расстояние 2,7-3,1 а. е., что примерно посередине между современными орбитами Марса и Юпитера, в поясе астероидов. Далее следуют снеговые линии углекислого газа, метана и, наконец, угарного газа. Последняя в нашей системе находится примерно на орбите Нептуна.

"Наше открытие имеет важное значение поскольку мы можем обнаружить изотоп углерода в атмосфере экзопланеты на таком большом расстоянии", — говорит астроном Япенг Чжан из Лейденского университета в Нидерландах.

Экзопланета TYC 8998-760-1b была обнаружена в 2019 году. Она принадлежит к чрезвычайно редкой группе экзопланет — это те, которые астрономам удалось увидеть напрямую.

Звезды очень яркие, а планеты достаточно тусклые по сравнению с ними. Поэтому астрономы обычно идентифицируют такие планеты следующим образом: либо ученые обнаруживают гравитационное влияние, которое они оказывают на свою звезду, либо планета во время своего оборота вокруг звезды на какое-то время уменьшает ее светимость.

Эти способы лучше всего подходят для планет, которые находятся близко к своим звездам, но экзопланета TYC 8998-760-1b вращается вокруг своей звезды на довольно большом расстоянии — около 160 астрономических единиц. Плутон, например, вращается вокруг Солнца на расстоянии 40 астрономических единиц.

Эта экзопланета огромная, она в 14 раз больше по массе и в два раза больше по размеру чем Юпитер. Это означает, что планета достаточно яркая из-за отраженного света своей звезды. Ученые во главе с Чжаном решили узнать, может ли отраженный звездой свет рассказать им что-нибудь.

Ученые использовали прибор под названием спектрограф для наблюдений интегрального поля в ближней инфракрасной области на Очень большом телескопе в Чили. Этот прибор наблюдает за спектром света и ученые искали особенности его поглощения.

Very Large Telescope (Очень большой телескоп) — комплекс из четырех отдельных 8,2-метровых и четырех вспомогательных 1,8-м оптических телескопов, объединенных в одну систему. Среди оптических телескопов VLT является самым большим на Земле по общей площади зеркал, и имеет наибольшую разрешающую способность в мире. Установлен на горе Серро-Параналь, высотой 2635 м, в Чили, в Паранальской обсерватории, являющейся частью Европейской Южной Обсерватории.

Темные линии в спектре возникают, когда определенные длины волн света поглощаются определенными элементами. Исследователи обнаружили, что длины волн, поглощаемые планетой TYC 8998-760-1b, соответствуют углероду-13, вероятно, в основном связанному с газообразным монооксидом углерода.

Изотопы довольно интересны. Все они представляют собой формы одного и того же элемента, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов.

Углерод-12, наиболее распространенный стабильный изотоп углерода, имеет шесть нейтронов. Углерод-13 имеет шесть протонов и шесть электронов, но семь нейтронов. Это важно, потому что пути их образования отличаются и они ведут себя по-разному в зависимости от условий окружающей среды.

На экзопланете TYC 8998-760-1b ученые ожидали обнаружить определенное количество углерода, но количество углерода-13 в атмосфере экзопланеты вдвое превысило ожидаемый уровень. Ученые считают, что этот изотоп может кое-что рассказать об условиях, в которых сформировалась планета TYC 8998-760-1b.

"Эта планета находится более чем в 150 раз дальше от своей родительской звезды, чем Земля от Солнца", — говорит астрофизик Поль Мольер из Института астрономии Макса Планка в Германии.

"На таком большом расстоянии лед, возможно, образовался с большим количеством углерода-13, что привело к более высокой доле этого изотопа в атмосфере планеты".

Эта область, где расположена планета, находится за пределами снеговой линии монооксида углерода – это расстояние от звезды, за которым монооксид углерода превращается из газа в лед.

Любые экзопланеты, которые образуются так далеко от своей звезды, будут содержать этот замерзший монооксид углерода. Поскольку планеты Солнечной системы находятся ближе к Солнцу, у них нет такого количества монооксида углерода, как у TYC 8998-760-1b, говорят ученые.

Но с другой стороны Нептун и Уран богаче дейтерием, изотопом водорода с одним протоном и одним нейтроном (у нормального водорода есть только протон), чем Юпитер. Это связано с образованием планеты за снеговой линией воды.

По словам ученых, обнаружение изотопов в атмосфере многих экзопланет пока невозможно, но по мере того, как телескопы продолжают совершенствоваться, астрономы смогут получать больше данных об образовании экзопланет.

"Мы ожидаем, что в будущем изотопы помогут понять, как, где и когда формируются планеты", — говорит астроном Игнас Снеллен из Лейденского университета. "Это только начало".