Гелиевый шлейф супернептуна TOI-3884b указал на магнитную связь с холодным красным карликом

Ученые из Индии и США под руководством исследователей из Tata Institute of Fundamental Research и Пенсильванского университета обнаружили, что супернептун TOI-3884b, вращающийся вокруг холодного красного карлика, теряет свою атмосферу. Наблюдения с помощью спектрографа Habitable Zone Planet Finder показали необычный след гелия вокруг планеты, который появляется еще до того, как планета проходит по диску звезды. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv и приняты к публикации в Astronomical Journal.

Есть планеты, которые буквально испаряются на глазах. Их атмосферы постепенно утекают в космос, оставляя вокруг газовый шлейф, который можно заметить с Земли. Обычно такие наблюдения удаются у планет возле горячих звезд, где мощное излучение буквально сдувает газовые оболочки. Но на этот раз астрономы нашли нечто странное: планета размером с Нептун, обращающаяся вокруг маленькой и холодной звезды, тоже теряет атмосферу, причем ее газовый хвост появляется тогда, когда планета еще только приближается к звезде. Это открытие заставляет пересмотреть представления о том, как и почему планеты теряют свои атмосферы.

Группа астрономов наблюдала систему TOI-3884 в течение четырех лет, используя мощный телескоп Хобби-Эберли в Техасе и спектрограф, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне. Эта система интересна тем, что планета TOI-3884b обращается вокруг красного карлика спектрального класса M4 — звезды значительно меньше и холоднее Солнца. Сама планета — супернептун, то есть небесное тело с массой около тридцати масс Земли, но очень рыхлое: его плотность составляет всего 0,67 грамма на кубический сантиметр, что примерно в полтора раза меньше плотности воды. Такая низкая плотность делает планету отличным кандидатом на роль «испаряющейся»: ее атмосфера слабо удерживается гравитацией.

Ученые искали следы гелия в атмосфере планеты. Атомы гелия могут переходить в особое возбужденное состояние, в котором они поглощают инфракрасный свет с длиной волны 10830 ангстрем. Если вокруг планеты есть протяженная газовая оболочка, она оставит заметный след в спектре звезды во время транзита — момента, когда планета проходит между нами и звездой. Этот метод уже зарекомендовал себя для планет у более горячих звезд, но у холодных красных карликов его почти не применяли, так как их излучение в ультрафиолете слишком слабо, чтобы эффективно ионизировать гелий.

Однако наблюдения дали неожиданный результат. Во время пяти транзитов астрономы зафиксировали дополнительное поглощение света в линии гелия, соответствующее превышению глубины транзита на 6,8 процента. Это означает, что вокруг планеты существует облако гелия, которое простирается далеко за пределы самой планеты. Причем сигнал оказался настолько сильным, что его нельзя объяснить простым затемнением звездных пятен — на планете или рядом с ней действительно есть газ.

Самое интересное началось, когда ученые посмотрели на то, как этот сигнал меняется со временем. Оказалось, что след гелия появляется примерно за пять часов до того, как планета начинает проходить по диску звезды. Газовый шлейф тянется впереди планеты, образуя своеобразный «встречный ветер». А вот после транзита, когда планета уже удалилась от звезды, никакого заметного хвоста обнаружено не было. Такая асимметрия — сильный сигнал до транзита и его отсутствие после, крайне необычна. Раньше подобное наблюдали только у одной планеты, HAT-P-67b, горячего сатурна возле звезды более горячего типа. Теперь же выясняется, что и у холодного красного карлика может быть такая же странная картина.

Ученые попытались объяснить, что могло бы создать такой односторонний поток газа. Одна из гипотез связана с магнитным полем звезды. Если планета находится достаточно близко к звезде, ее магнитное поле может соединяться с полем звезды, образуя своеобразные магнитные воронки. Газ из атмосферы планеты мог бы стекать по этим воронкам к полярным областям звезды. Поскольку планета вращается вокруг звезды по полярной орбите — то есть проходит над ее полюсами, такая геометрия могла бы объяснить, почему мы видим газовый поток только с одной стороны. До транзита планета находится над видимым полюсом звезды, и воронка направлена в нашу сторону. После транзита она уходит за звезду, и сигнал пропадает.

Другое возможное объяснение — это так называемый эффект источника света транзита. Звезда TOI-3884 покрыта пятнами, и некоторые из них могут быть яркими в линии гелия. Если планета закрывает такое яркое пятно во время транзита, это может создать иллюзию дополнительного поглощения. Однако ученые проверили эту версию и пришли к выводу, что пятна не могут объяснить сигнал, наблюдаемый до транзита. Тем не менее полностью исключить влияние звездной активности на амплитуду сигнала во время транзита они не смогли.

Отдельный вопрос, что заставляет атмосферу утекать. Звезда TOI-3884 сама по себе не очень активна, ее ультрафиолетовое излучение слишком слабо, чтобы эффективно разогревать и ионизировать гелий. Однако у таких звезд есть активные области в хромосфере, верхних слоях атмосферы, которые могут излучать достаточно энергии. Ученые предполагают, что именно эти активные области, аналогичные тем, что наблюдаются у звезды YZ Cmi, и запускают процесс потери массы. По оценкам, планета теряет примерно от 1 до 4 × 10¹⁰ граммов вещества в секунду, это соответствует 10–40 тысячам тонн в секунду. Это не так много по сравнению с некоторыми горячими юпитерами, но достаточно, чтобы за миллионы лет существенно изменить облик планеты.

Есть и еще один важный вывод. Астрономы обнаружили, что газовый шлейф простирается на расстояние, равное примерно 23 диаметрам планеты. Это означает, что атмосфера планеты может быть в десятки раз больше самой планеты. Такой вывод имеет практическое значение: если вы хотите измерить, как выглядит звезда без влияния планеты, нельзя использовать спектры, снятые непосредственно перед транзитом или сразу после него. Планета и ее газовый хвост могут занимать огромную область на небе, и их влияние нужно учитывать.

В итоге ученые пришли к выводу, что супернептун TOI-3884b, несмотря на то что его звезда холодный и тусклый красный карлик, активно теряет атмосферу. Газовый шлейф из гелия тянется далеко впереди планеты, но не оставляет следа позади нее. Такая несимметричная картина, вероятно, связана с магнитным взаимодействием между планетой и звездой, а не с простым нагревом излучением. Это открытие показывает, что потеря атмосферы может происходить даже в самых, казалось бы, неподходящих условиях, и заставляет пересмотреть наши представления о том, как долго планеты сохраняют свои газовые оболочки.