Данные Кеплера раскрывают возможную причину «пустыни суб-Нептунов»

Новое исследование может объяснить «пропавшие» экзопланеты, которые должны находится по размеру между супер-Землями и суб-Нептунами.

Некоторые экзопланеты, похоже, теряют свою атмосферу и сжимаются. В новом исследовании с использованием бывшего космического телескопа НАСА «Кеплер» астрономы находят доказательства возможной причины: ядра этих планет отталкивают свои атмосферы изнутри наружу.

Экзопланеты (планеты за пределами нашей Солнечной системы) бывают самых разных размеров: от маленьких скалистых планет до колоссальных газовых гигантов. В середине лежат скалистые суперземли и более крупные суб-Нептуны с пухлой атмосферой.

Но налицо явное отсутствие — «разрыв в размерах» — планет, размеры которых в 1,5–2 раза превышают размер Земли (или находятся между супер-землями и суб-нептунами), над изучением которого ученые работают.

«Астрономы подтвердили обнаружение более 5000 экзопланет, но планет с диаметром в 1,5–2 раза больше земного меньше, чем ожидалось», — сказала научный сотрудник Калифорнийского технологического института/IPAC Джесси Кристиансен, автор нового исследования.

«Ученые, изучающие экзопланеты, теперь имеют достаточно данных, чтобы сказать, что этот разрыв не является случайностью. Что-то происходит, что мешает планетам достигать и/или оставаться в этом размере».

Исследователи полагают, что этот разрыв можно объяснить тем, что некоторые суб-Нептуны со временем теряют свою атмосферу. Эта потеря произойдет, если у планеты не будет достаточной массы и, следовательно, гравитационной силы, чтобы удерживать свою атмосферу.

Таким образом, суб-Нептуны, которые недостаточно массивны, сожмутся до размеров суперземли, оставив разрыв между двумя размерами планет.

Но как именно эти планеты теряют свою атмосферу, остается загадкой. Ученые остановились на двух вероятных механизмах: один называется потерей массы за счет энергии ядра; другой, фотоиспарение. Исследование выявило новые доказательства, подтверждающие первый механизм.

Потеря массы за счет энергии ядра происходит, когда радиация, испускаемая горячим ядром планеты, со временем отталкивает атмосферу от планеты, «и эта радиация давит на атмосферу снизу», — говорит Джесси Кристиансен.

Другое ведущее объяснение планетарного разрыва — фотоиспарение — происходит, когда атмосфера планеты по существу сдувается горячим излучением ее родительской звезды. В этом сценарии «высокоэнергетическое излучение звезды действует как фен на кубик льда», сказала она.

Хотя считается, что фотоиспарение происходит в течение первых 100 миллионов лет существования планеты, потеря массы за счет энергии ядра, как полагают, происходит гораздо позже — ближе к 1 миллиарду лет жизни планеты.

Но при любом механизме «если у вас недостаточно массы, вы не сможете удержаться, потеряете атмосферу и уменьшитесь».

Для этого исследования ученые использовали данные НАСА K2, расширенной миссии космического телескопа Кеплер, чтобы изучить звездные скопления Ясли и Гиады, возраст которых составляет от 600 до 800 миллионов лет.

Поскольку обычно считается, что планеты того же возраста, что и их родительская звезда, суб-Нептуны в этой системе уже прошли тот возраст, когда могло произойти фотоиспарение, но недостаточно старые, чтобы испытать потерю массы за счет ядра.

Поэтому, если бы команда увидела, что там было много суб-Нептунов (по сравнению с более старыми звездами в других скоплениях), они могли бы заключить, что фотоиспарения не произошло. В этом случае потеря массы за счет энергии ядра будет наиболее вероятным объяснением того, что со временем происходит с менее массивными суб-Нептунами.

Наблюдая за Яслями и Гиадами, исследователи обнаружили, что почти 100% звезд в этих скоплениях все еще имеют на своей орбите суб-Нептуновую планету или планету-кандидата. Судя по размеру этих планет, исследователи полагают, что они сохранили свою атмосферу.

Это отличается от других, более старых звезд, наблюдаемых K2 (звезд возрастом более 800 миллионов лет), только 25% из которых имеют на орбите суб-Нептуна. Более старый возраст этих звезд ближе к временным рамкам, в которых, как полагают, происходит потеря массы за счет энергии ядра.

На основании этих наблюдений команда пришла к выводу, что фотоиспарение не могло иметь место в Яслях и Гиадах. Если бы это было так, это произошло бы на сотни миллионов лет раньше, и на этих планетах почти не осталось бы атмосферы. Это делает потерю массы за счет энергии ядра основным объяснением того, что вероятно происходит с атмосферами таких планет.

Ученые потратили более пяти лет на создание каталога планет-кандидатов, необходимого для исследования. Но работа еще далека от завершения, и вполне возможно, что нынешнее понимание фотоиспарения и/или потери массы за счет энергии ядра может измениться. Выводы, вероятно, будут проверены будущими исследованиями, прежде чем кто-либо сможет объявить, что тайна планетарного разрыва раскрыта раз и навсегда.