Мини-Нептуны теряют атмосферу и становятся суперземлями
Астрономы уже достаточно давно обнаружили редкий тип планет, которых нет в нашей Солнечной системе. Они не слишком большие и не слишком маленькие. Размер их радиуса находится между радиусом Земли и радиусом Нептуна. Ближе к нижней части этого диапазона находятся плотные «суперземли» которые немного больше Земли. Ближе к вершине диапазона находятся менее плотные и более пухлые так называемые «мини-Нептуны», которые меньше планеты Нептун.
Астрономы выстраивают сложную картину того, как появляются эти виды планет. По-видимому, мини-Нептуны начинаются как меньшие и более плотные версии планеты Нептун.
Но излучение от звезды-хозяина планеты нагревает их водородно-гелиевую атмосферу, которая затем уходит в космос. Планета теряет много массы, пока не останется только плотное каменистое ядро, которое все еще больше Земли и может сохранить тонкую оболочку атмосферы.
Астрономы, использующие космический телескоп Хаббл и обсерваторию Кека, выявили два разных случая планет класса «мини-Нептун», которые теряют свою атмосферу и, возможно, превращаются в суперземли. Это еще одно свидетельство разнообразия — если не непредсказуемости — того, как планеты формируются и развиваются вокруг других звезд.
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 и плотными слоями газа.
В новых исследованиях группа астрономов использовала космический телескоп Хаббл, чтобы посмотреть на два мини-Нептуна, вращающихся вокруг HD 63433, звезды, расположенной в 73 световых годах от нас. Кроме того, они использовали обсерваторию W.M. Keck на Гавайях для изучения одной из двух мини-планет Нептуна в звездной системе под названием TOI 560, расположенной в 103 световых годах от Земли.
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 превращения».
Исследование также неожиданно обнаружило, что газ вокруг TOI 560.01 уходил преимущественно к звезде.
«Это было неожиданно, так как большинство моделей предсказывают, что газ должен утекать от звезды», — говорит профессор планетарных наук Хизер Кнутсон из Калифорнийского технологического института и соавтор исследования. «Нам еще многое предстоит узнать о том, как эти оттоки работают на практике».
Новые подсказки к отсутствующему звену в типах планет
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 обычно в 1,25-1,5 раза больше Земли, а мини-Нептуны в 2-4 раза больше Земли. Планеты этих типов не встречаются в нашей Солнечной системе.
Астрономов давно интересует таинственный разрыв между суперземлями и мини-нептунами, который характеризуется почти полным отсутствием планет, имеющих размер 1,5-2 радиусов Земли, хотя несколько таких планет удалось обнаружить.
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 нескольких сотен миллионов лет.
Оно оставит после себя каменистую суперземлю значительно меньшего диаметра (которая теоретически может по-прежнему сохранять относительно тонкую атмосферу, подобную той, что окружает нашу планету Земля).
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 быть 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.
Подписи в звездном свете
Астрономы смогли обнаружить ускользающие атмосферы, наблюдая за тем, как мини-Нептуны пересекают или проходят мимо своих звезд-хозяев.
Планеты пока 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», — объяснили астрономы.
«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 — со скоростью 50 километров в секунду. Гравитация этих мини-Нептунов недостаточно сильна, чтобы удерживать такой быстро движущийся газ. Степень оттока вокруг планет также указывает на убегание атмосфер; газовый кокон 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 атмосферный поток.
«Как исследователи экзопланет, мы научились ожидать неожиданного», — говорят ученые. «Эти экзотические миры постоянно удивляют нас новой физикой, которая выходит за рамки того, что мы наблюдаем в нашей Солнечной системе».