Учені вперше виявили ізотоп вуглецю в атмосфері екзопланети

В атмосфері газоподібної екзопланети під назвою TYC 8998-760-1b астрономи виявили форму вуглецю, відому як вуглець-13. Це відкриття припускає, що екзопланета утворилася далеко від своєї батьківської зірки, у холодних частинах її системи за межами певної снігової лінії. За словами вчених, це відкриття дає нам новий спосіб поглянути на маловивчений процес формування планет, повідомляє Sciencealert.

Снігова лінія — це характеристика протопланетної системи зірки, відстань від світила, на якій температура достатньо низька для того, щоб прості леткі сполуки (такі як вода, аміак, метан, молекулярні азот і хлор) переходили в твердий стан. Використовуються різні значення температур, за яких у протопланетному диску створюються такі умови, приблизно від -100°C до -135°C, якщо йдеться про воду. Для поточної світності Сонця цьому відповідає відстань 2,7-3,1 а. е., що приблизно посередині між сучасними орбітами Марса та Юпітера, в поясі астероїдів. Далі йдуть снігові лінії вуглекислого газу, метану і, нарешті, чадного газу. Остання в нашій системі знаходиться приблизно на орбіті Нептуна.

"Наше відкриття має важливе значення оскільки ми можемо виявити ізотоп вуглецю в атмосфері екзопланети на такій великій відстані", — говорить астроном Япенг Чжан із Лейденського університету в Нідерландах.

Екзопланета TYC 8998-760-1b була знайдена в 2019 році. Вона належить до надзвичайно рідкісної групи екзопланет — це ті, які астрономам вдалося побачити безпосередньо.

Зірки дуже яскраві, а планети досить тьмяні порівняно з ними. Тому астрономи зазвичай ідентифікують такі планети так: або вчені виявляють гравітаційний вплив, який вони чинять на свою зірку, або планета під час свого обороту навколо зірки на якийсь час зменшує її світність.

Ці способи найкраще підходять для планет, які знаходяться близько до своїх зірок, але екзопланета TYC 8998-760-1b обертається навколо своєї зірки на досить великій відстані — приблизно 160 астрономічних одиниць. Плутон, наприклад, обертається навколо Сонця на відстані 40 астрономічних одиниць.

Ця екзопланета величезна, вона в 14 разів більша за масою і вдвічі більша за розміром, ніж Юпітер. Це означає, що планета досить яскрава через відбите світло своєї зірки. Учені на чолі із Чжаном вирішили дізнатися, чи може відбите зіркою світло розповісти їм що-небудь.

Учені використовували прилад під назвою спектрограф для спостережень інтегрального поля в ближній інфрачервоній області на Дуже великому телескопі в Чилі. Цей прилад спостерігає за спектром світла й учені шукали особливості його поглинання.

Very Large Telescope (Дуже великий телескоп) — комплекс із чотирьох окремих 8,2-метрових і чотирьох допоміжних 1,8-м оптичних телескопів, обʼєднаних в одну систему. Серед оптичних телескопів VLT є найбільшим на Землі за загальною площею дзеркал, і має найбільшу роздільну здатність у світі. Встановлений на горі Серро-Паранал, висотою 2 635 м, у Чилі, у Паранальській обсерваторії, яка є частиною Європейської Південної Обсерваторії.

Темні лінії в спектрі виникають, коли певні довжини хвиль світла поглинаються певними елементами. Дослідники зʼясували, що довжини хвиль, що поглинаються планетою TYC 8998-760-1b, відповідають вуглецю-13, ймовірно, здебільшого повʼязаного з газоподібним монооксидом вуглецю.

Ізотопи досить цікаві. Усі вони являють собою форми одного й того ж елемента, які мають однакову кількість протонів та електронів, але різну кількість нейтронів.

Вуглець-12, найбільш поширений стабільний ізотоп вуглецю, має шість нейтронів. Вуглець-13 має шість протонів і шість електронів, але сім нейтронів. Це важливо, тому що шляхи їхнього утворення відрізняються і вони поводяться по-різному залежно від умов навколишнього середовища.

На екзопланеті TYC 8998-760-1b учені очікували виявити певну кількість вуглецю, але кількість вуглецю-13 в атмосфері екзопланети вдвічі перевищила очікуваний рівень. Учені вважають, що цей ізотоп може дещо розповісти про умови, в яких сформувалася планета TYC 8998-760-1b.

"Ця планета знаходиться більш ніж у 150 разів далі від своєї батьківської зірки, ніж Земля від Сонця", — говорить астрофізик Поль Мольєр з Інституту астрономії Макса Планка в Німеччині.

"На такій великій відстані лід, можливо, утворився з великою кількістю вуглецю-13, що призвело до більш високої частки цього ізотопу в атмосфері планети".

Ця ділянка, де розташована планета, знаходиться за межами снігової лінії монооксиду вуглецю — це відстань від зірки, за якою монооксид вуглецю перетворюється з газу на лід.

Будь-які екзопланети, які утворюються так далеко від своєї зірки, міститимуть цей замерзлий монооксид вуглецю. Оскільки планети Сонячної системи знаходяться ближче до Сонця, у них немає такої кількості монооксиду вуглецю, як у TYC 8998-760-1b, кажуть вчені.

Але з іншого боку Нептун та Уран більш багаті дейтерієм, ізотопом водню з одним протоном та одним нейтроном (у нормального водню є тільки протон), ніж Юпітер. Це повʼязано з утворенням планети за сніговою лінією води.

За словами вчених, виявлення ізотопів в атмосфері багатьох екзопланет поки неможливе, але в міру того, як телескопи продовжують удосконалюватися, астрономи зможуть отримувати більше даних про утворення екзопланет.

"Ми очікуємо, що в майбутньому ізотопи допоможуть зрозуміти, як, де і коли формуються планети", — говорить астроном Ігнас Снеллена з Лейденського університету. "Це тільки початок".