Каменистая планета в 48 световых годах от Земли, возможно, дала астрономам редкий шанс увидеть, как атмосфера уходит в космос. В 2024 году исследователи обнаружили в её спектре подпись метастабильного гелия. LHS 1140 b — умеренная сверхземля, обращающаяся вокруг небольшой холодной звезды. Когда планету наблюдали снова в 2025 году, сигнала гелия не нашли.
Повторное отсутствие сигнала не отменяет первый результат и не означает, что атмосфера исчезла. Оно ставит более сложный вопрос: что определяет, видит ли астроном уходящий гелий в конкретный момент. Ответ может помочь понять не только LHS 1140 b, но и то, как атмосферы выживают и меняются на каменистых мирах.
LHS 1140 b примерно на 70% больше Земли по радиусу и относится к классу сверхземель. Измерения массы и радиуса указывают, что это, вероятно, планета земного типа, но чуть менее плотная, чем Земля. Железо и порода в земных пропорциях не объясняют такую низкую плотность: значит, в составе есть вода, атмосфера или и то и другое.
Планета обращается в обитаемой зоне красного карлика, где при подходящих атмосферных условиях температуры могли бы допускать жидкую воду. Её звезда старше и спокойнее многих красных карликов, которые часто магнитно активны. Эти качества делают LHS 1140 b привлекательной целью для изучения атмосферы. Быть в обитаемой зоне не значит быть обитаемой или населённой, но наличие и поведение атмосферы здесь особенно важны: она влияет на температуру поверхности, переносит тепло и определяет, может ли сохраняться жидкая вода.
Во время работы над диссертацией Черубим моделировал, как атмосферы планет меняются со временем. Модели предполагали, что некоторые каменистые планеты могут сохранять атмосферы, всё сильнее обогащённые гелием, и LHS 1140 b стала удобным местом для проверки этого предсказания.
Наблюдения вели спектрографом высокого разрешения WINERED в ближнем инфракрасном диапазоне на 6,5-метровом телескопе имени Магеллана в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Поскольку свет звезды затмевает отражённый или испущенный небольшой планетой свет, команда использовала метод трансмиссионной спектроскопии. Когда LHS 1140 b проходила перед своей звездой, небольшая часть звёздного света фильтровалась через атмосферу планеты. Атомы в ней поглощали определённые длины волн, оставляя в спектре узоры, которые исследователи искали.
Команда нацелилась на триплет метастабильного гелия около 1,0833 микрометра. «Метастабильный» описывает возбуждённое состояние гелия, которое длится необычно долго — около двух часов — до распада. Этого времени хватает, чтобы накопилось достаточно атомов для обнаружения их спектральной подписи. Такой гелий ожидается в высокой верхней атмосфере, или экзосфере, планеты, где давление примерно в миллионную или миллиардную долю от давления у поверхности Земли. На этих высотах газ уже не удерживается планетой жёстко. Поэтому подпись метастабильного гелия говорит об утекающем веществе, а не просто о том, что гелий где-то в атмосфере есть.
В спектре 2024 года подпись гелия присутствовала, как и предсказывали модели. Наблюдения также показали намёки на поглощение непосредственно до и после прохождения планеты по диску звезды, что позволяет предположить, что газ простирается за пределы самой планеты. Точную форму этого уходящего вещества данные пока не раскрывают.
Каменистые планеты обычно теряют большую часть водорода и гелия, полученных при формировании. Оба газа легки, а жёсткое рентгеновское и ультрафиолетовое излучение звезды может нагревать атмосферу и выталкивать их в космос. Модели Черубима указывают на менее очевидную возможность. Водород легче гелия и уходит эффективнее. Со временем такая избирательная потеря могла оставить атмосферу всё более богатой гелием. Сигнал у LHS 1140 b согласуется с этим сценарием.
Уходящая атмосфера не обязательно недолговечна. Обновлённые измерения показывают, что LHS 1140 b менее плотная, чем считалось сначала, — независимое свидетельство того, что в ней может быть вода, атмосфера или и то и другое. По расчётам Черубима, атмосфера могла бы существовать более трёх миллиардов лет в условиях этой планеты, даже пока часть газа продолжает уходить.
В 2025 году Черубим наблюдал ещё одно прохождение LHS 1140 b, ожидая снова увидеть подпись гелия. Но на этот раз её не было. Первым делом он забеспокоился, не было ли ошибки в первом наблюдении, однако данные допускали более тонкое объяснение. Астрономические измерения содержат шум, поэтому сигнал не бывает просто идеально видимым или полностью отсутствующим. Черубим объяснил: если бы поглощение гелия в 2025 году было примерно вдвое слабее сигнала 2024 года, оно могло бы остаться скрытым в шуме. Отсутствие сигнала задаёт верхний предел его силы в тот момент, но не доказывает, что гелия не было вовсе.
Исследователи наблюдали изменения в поглощении гелия и у других экзопланет, включая газовые гиганты, состоящие в основном из водорода и гелия. В некоторых системах сообщали и об обнаружениях, и об отсутствии сигнала в разное время. Эта история поддерживает возможность того, что видимый сигнал метастабильного гелия может меняться, даже если атмосфера остаётся.
Причин такой изменчивости несколько. Изменения рентгеновского и ультрафиолетового излучения звезды могут влиять и на уход атмосферы, и на долю атомов гелия в метастабильном состоянии. Переменный звёздный ветер может перестраивать уходящий газ, а процессы внутри потока — менять то, сколько его пересекает звезду с точки зрения земного наблюдателя. Так отсутствие сигнала превращает простой на вид результат в новый исследовательский вопрос. Повторные наблюдения могли бы показать, следует ли сигнал за активностью звезды, структурой потока или другим, пока не выявленным процессом.
Система LHS 1140 даёт и ещё один способ проверить модели атмосфер. Во время первого цикла наблюдений необычное расположение позволило Черубиму в одну ночь наблюдать прохождения и LHS 1140 b, и соседней планеты LHS 1140 c. Ранняя версия его модели предсказывала, что атмосфера может сохраниться и у LHS 1140 c, но наблюдения её не нашли. После доработки модели уточнённые расчёты согласились с результатом и перестали предсказывать атмосферу у планеты c. Две планеты дают полезное сравнение при одной и той же звезде: LHS 1140 b дала сигнал, согласующийся с уходящим гелием, LHS 1140 c — нет. Их различия помогают проверить, какие свойства планеты позволяют атмосфере сохраняться.
Подпись гелия не доказывает, что LHS 1140 b обитаема, тем более населена. Планета, скорее всего, приливно заперта: одна сторона постоянно обращена к звезде. Что это значит для жизни, пока неизвестно, хотя приливный захват сам по себе её не исключает. Непосредственная важность результата глубже: у астрономов, возможно, появился способ изучать атмосферу небольшой умеренной каменистой планеты и следить за изменениями её верхних слоёв со временем.
Двадцать пять лет назад исследователи начали обнаруживать атмосферы у горячих юпитеров. Будущие инструменты, включая обсерваторию «Обитаемые миры» и следующее поколение наземных телескопов с очень большими зеркалами, могут позволить изучать отдельные газы у всё более похожих на Землю миров. Предлагаемые концепции миссий могли бы расширить эту работу. Со временем вопрос может сместиться с того, есть ли у каменистой планеты атмосфера, на то, что означают газы в ней и может ли какая-то их комбинация считаться признаком жизни. Для LHS 1140 b следующий шаг ближе: понять, почему подпись гелия появилась однажды, а затем исчезла.
Остаётся вопрос: если сигнал гелия у LHS 1140 b то появляется, то пропадает, — что именно управляет его видимостью: активность звезды, структура уходящего потока или что-то, чего мы пока не учли, и сколько наблюдений нужно, чтобы отличить временную флуктуацию от исчезновения атмосферы?
