Ученые выяснили, как пухлые планеты превращаются в суперземли

Экзопланеты бывают таких форм и размеров, которых нет в нашей Солнечной системе. К ним относятся небольшие газообразные планеты, называемые мини-Нептунами, и каменистые планеты, в несколько раз превышающие массу Земли, называемые суперземлями.

Теперь астрономы определили два разных случая планет типа «мини-Нептун», которые теряют свою пухлую атмосферу и, вероятно, превращаются в суперземли. Излучение звезд планет уносит их атмосферы, вынуждая горячий газ улетучиваться, как пар из котла с кипящей водой. Новые результаты помогают нарисовать картину того, как формируются и развиваются экзотические миры, подобные этим, и помогают объяснить любопытный разрыв в распределении размеров планет, обнаруженных вокруг других звезд.

Мини-Нептуны

Мини-Нептуны — это меньшие и более плотные версии планеты Нептун в нашей Солнечной системе, и считается, что они состоят из больших каменистых ядер, окруженных толстыми слоями газа. В новых исследованиях группа астрономов использовала космический телескоп НАСА «Хаббл», чтобы посмотреть на два мини-Нептуна, вращающихся вокруг HD 63433, звезды, расположенной в 73 световых годах от нас. И они использовали обсерваторию WM Keck на Гавайях для изучения одной из двух мини-планет Нептуна в звездной системе под названием TOI 560, расположенной в 103 световых годах от нас.

Их результаты показывают, что атмосферный газ выходит из самого внутреннего мини-Нептуна в TOI 560, называемого TOI 560.01 (также известного как HD 73583b), и из самого внешнего мини-Нептуна в HD 63433, называемого HD 63433c. Это говорит о том, что они могут превращаться в суперземли.

«Большинство астрономов подозревали, что у молодых мини-Нептунов должна быть испаряющаяся атмосфера, — сказал Майкл Чжан, ведущий автор обоих исследований и аспирант Калифорнийского технологического института. – Но до сих пор никто никогда не ловил их в процессе».

Исследование также неожиданно обнаружило, что газ вокруг TOI 560.01 убегал преимущественно к звезде.

«Это было неожиданно, так как большинство моделей предсказывают, что газ должен утекать от звезды, — сказала профессор планетарных наук Хизер Кнутсон из Калифорнийского технологического института, советник Чжана и соавтор исследования. – Нам еще многое предстоит узнать о том, как эти оттоки работают на практике».

Новые подсказки к отсутствующему звену в планетарных типах

С тех пор, как в середине 1990-х годов были обнаружены первые экзопланеты, вращающиеся вокруг солнцеподобных звезд, были обнаружены тысячи других экзопланет. Многие из них вращаются близко к своим звездам, а меньшие скалистые обычно делятся на две группы: мини-Нептуны и суперземли. Суперземли в 1,6 раза больше Земли (а иногда и в 1,75 раза больше Земли), а мини-Нептуны в 2-4 раза больше Земли. Планеты этих типов не встречаются в нашей Солнечной системе. На самом деле вокруг других звезд было обнаружено несколько планет с размерами между этими двумя диапазонами.

Одно из возможных объяснений такого разрыва в размерах состоит в том, что мини-Нептуны трансформируются в суперземли. Предполагается, что мини-Нептуны окружены первичными атмосферами, состоящими из водорода и гелия. Водород и гелий остались от образования центральной звезды, которая рождается из газовых облаков.

Ученые предполагают, что если мини-Нептун достаточно мал и находится достаточно близко к своей звезде, звездное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение могут лишить его первичной атмосферы в течение сотен миллионов лет. Это оставит после себя каменистую суперземлю значительно меньшего диаметра (которая теоретически может по-прежнему сохранять относительно тонкую атмосферу, подобную той, что окружает нашу планету Земля).

«Планета в таком разрыве будет иметь достаточно атмосферы, чтобы увеличить свой радиус, что заставит ее перехватывать больше звездного излучения и, таким образом, приведет к быстрой потере массы, — отметил Чжан. – Но атмосфера достаточно тонкая, чтобы быстро потеряться. Вот почему планета не может долго оставаться в промежутке».

По мнению астрономов, другие сценарии могут объяснить разницу в размерах. Например, меньшие каменистые планеты могли вообще никогда не иметь газовых оболочек, а мини-Нептуны могли быть водными мирами, а не покрытыми газообразным водородом. Это последнее открытие двух мини-Нептунов с покидающими их атмосферами представляет собой первое прямое доказательство в поддержку теории о том, что мини-Нептуны действительно превращаются в суперземли.

пухлые планеты превращаются в суперземли

Подписи в звездном свете

Астрономы смогли обнаружить ускользающие атмосферы, наблюдая за тем, как мини-Нептуны пересекают или проходят мимо своих звезд-хозяев. Планеты нельзя увидеть напрямую, но когда они проходят перед своими звездами, если смотреть с нашей точки зрения на Земле, телескопы могут искать поглощение звездного света атомами в атмосферах планет.

В случае с мини-Нептуном TOI 560.01 исследователи обнаружили следы гелия. Для звездной системы HD 63433 команда обнаружила признаки водорода на самой удаленной из изученных ими планетах, названных HD 63433c, но не на внутренней планете, HD 63433b.

«Внутренняя планета, возможно, уже потеряла свою атмосферу, — объяснил Чжан. – Скорость газов свидетельствует о том, что атмосферы улетучиваются. Наблюдаемый гелий вокруг TOI 560.01 движется со скоростью 20 километров в секунду, а водород вокруг HD 63433c движется со скоростью 50 километров в секунду. Эти мини-Нептуны недостаточно сильны, чтобы удержать столь быстро движущийся газ. Размах истечений вокруг планет также указывает на убегание атмосфер. Кокон газа вокруг TOI 560.01 как минимум в 3,5 раза больше радиуса планеты, а кокон вокруг HD 63433c как минимум в 12 раз больше радиуса планеты».

Наблюдения также показали, что газ, потерянный из TOI 560.01, течет к звезде. Будущие наблюдения за другими мини-Нептунами должны показать, является ли TOI 560.01 аномалией или более распространенным явлением является движущийся внутрь звездной системы поток.

«Как исследователи экзопланет, мы научились ожидать неожиданностей, — добавила Кнутсон. – Эти экзотические миры постоянно удивляют нас новой физикой, которая выходит за рамки того, что мы наблюдаем в нашей Солнечной системе».

Ученые также ищут темную материю в Солнечной системе

Дивіться огляди:

-->