Неожиданное открытие JWST: планета с атмосферой из чистого углерода у «черной вдовы»

Научное сообщество вновь стало свидетелем феномена, который может радикально изменить представления о формировании экзопланет и механизмах их эволюции. Инструменты космического телескопа James Webb Space Telescope (JWST) позволяют исследовать самые загадочные и необычные объекты во Вселенной, и одно из последних исследований привлекло внимание ученых своей уникальностью. В центре внимания — экзопланета PSR J2322-2650b, вращающаяся в системе «черной вдовы», у которой обнаружена атмосфера из чистого углерода — феномен, ранее недоступный для научного объяснения.

Классическая модель системы «черная вдова» и ее неожиданные аномалии

Модель системы «черная вдова» широко известна в астрономии как яркий пример взаимодействия нейтронной звезды — пульсара — с ее «жертвой» — более мелким спутником, обычно звездой или газовым гигантом. В стандартной ситуации пульсар «крадет» материал у своей компаньонки, формируя вокруг себя аккреционный диск, затем излучает мощные гамма-вспышки, которые разрывают внешние слои спутника, превращая его в уменьшенного «горячего» гиганта. В такой системе наблюдается характерная характеристика — компактное, но массивное тело, сильно подвергшееся разрушению внешних слоев.

В случае PSR J2322-2650 процесс выглядит более сложным и по-своему уникальным. Этот пульсар вращается всего за 7,8 часа и, по сути, представляет собой «черную вдову», которая извергает мощнейшие потоки энергии, подрывающие структуру его спутника. Однако обнаруженная экзопланета — PSR J2322-2650b — не только выдержала это воздействие, но и обладает атмосферой, полностью состоящей из углерода, что вызывает у ученых массу вопросов.

Экзопланета с атмосферой из чистого углерода

Обычно атмосферы планет состоят из водорода, гелия, а в более тяжелых случаях — из углерода, кислорода, азота и других элементов. Углерод в атмосферах встречается редко — на Земле он присутствует в виде углекислого газа, в составе пыли или в виде графита и алмазов внутри планет. В кометах его следы наблюдаются в хвостах, а в атмосферных слоях звездных объектов — в виде слабых спектральных линий. Но чтобы полностью доминировать в атмосфере как основная составляющая — это по-настоящему уникально.

Выявленные спектроскопические данные, полученные с помощью JWST, показывают, что атмосфера PSR J2322-2650b состоит преимущественно из элементов углерода, таких как трисмоль (C3) и димоль (C2). Эти формы углерода характерны для хвостов комет или пламени на Земле, но их присутствие в атмосфере экзопланеты в таких масштабах — настоящая научная революция. Размеры и плотность планеты соответствуют Jupiter, однако ее химический состав полностью расходится с ожидаемыми моделями.

Степень загадочности: как это объяснить?

Объяснение удивительного состава атмосферы вызывает массу вопросов. В рамках классической модели «черной вдовы» атмосферные слои спутника должны были либо полностью разрушиться, либо быть «сожжены» гамма-лучами пульсара. Тем не менее, огромное количество углерода не только сохранилось, но и доминирует в атмосфере. Этот факт побуждает ученых рассматривать альтернативные сценарии образования планеты.

Некоторые гипотезы предполагают, что атмосфера могла образоваться в результате слияния звезд-двойников, где один из них — белый карлик, богатый углеродом. Однако такие модели не способны полностью объяснить столь высокий C/O и C/N соотношения — более 100 и 10 000 соответственно относительно земных показателей.

Ключевые параметры, полученные при помощи JWST, — очень высокий соотношение углерода к кислороду и азоту — свидетельствуют о том, что в глубинах планеты могла происходить уникальная химическая реакция, либо она сформировалась в условиях, неподдающихся классическому сценарию. Возможно, причина кроется в необычных условиях в ранней стадии формирования системы или в сложных процессах слияния и деградации других звездных объектов.

Влияние атмосферных особенностей на модель вращения и внутренней структуры

Анализ данных с помощью современных моделей атмосферных циркуляций показывает, что при быстром вращении планеты, 4-километровые ветры, дующие с запада, должны присутствовать в системе. Эти сильные западные ветры впервые наблюдаются на экзопланете, что подтверждает теорию о сложных погодных и климатических процессах на объектах, вращающихся вокруг нейтронных звезд.

Температура на дневной стороне планеты достигает 2000 градусов Цельсия, что сопоставимо с пламенем на сгораниях вулканов или в лабораторных условиях высокотемпературных реакций. В ночной же части, покрытой сажей или аналогичным материалом, спектральные признаки почти отсутствуют. Этот факт подтверждает гипотезу о сильной асимметрии температур и химического состава, что является редким явлением в астрономии.

Что говорит наука и дальнейшие шаги

Полученные данные бросают вызов существующим теориям о формировании планет в системах «черных вдов». Высокий C/O и C/N, а также доминирование углерода предполагают наличие процессов, ранее недооцененных. Варианты включают:

• Гипотезы о слиянии белых карликов с необычными условиями атмосферы
• Модели формирования планет из углеродных облаков или в условиях высокой химической нестабильности
• Возможность повторного образования атмосферы после разрушения супергигантов или больших планет

Учёные активно обсуждают эти сценарии и планируют дальнейшие наблюдения для подтверждения или опровержения гипотез. В перспективе, усовершенствование моделей атмосферных циркуляций и химической эволюции поможет понять, как подобные планеты могут возникать и выживать в экстремальных условиях.

Заключение и будущее исследований

Обнаружение планеты с атмосферой из чистого углерода — это яркий пример, как новые инструменты и технологии меняют основы астрономии. JWST не только подтверждает существующие теории, но и открывает новые горизонты, предлагая уникальные объекты для изучения. В будущем, расширение базы наблюдаемых систем позволит понять, насколько распространены подобные явления и какие механизмы стоят за их формированием. Возможно, именно такие открытия станут ключом к разгадке тайны происхождения нашей Вселенной и жизни в ней.