Звездные вспышки навсегда меняют атмосферы газовых гигантов: новое исследование

Ученые из Нидерландов и Тайваня выяснили, что вспышки на звездах могут надолго менять химический состав атмосфер газовых гигантов, искажая данные телескопов. Исследование, принятое к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), показывает: хотя отдельные вспышки вызывают лишь временные изменения, их повторение на протяжении многих лет приводит к необратимым потерям воды и метана, а также к появлению ложных сигналов, которые можно принять за признаки жизни или особенности строения планеты.

Горячий Юпитер — класс газовых гигантов, обращающихся близко к своей звезде (обычно менее 0,1 а.е.), с периодами от нескольких часов до десяти дней и с массой порядка массы Юпитера. Много подобных планет было открыто возле красных карликов. Такие звезды известны своим буйным нравом: они часто выбрасывают мощные вспышки энергии, похожие на гигантские солнечные вспышки, только гораздо сильнее. Астрономы давно подозревали, что эти вспышки могут влиять на атмосферы планет, но до недавнего времени не было ясно, насколько долгим и серьезным может быть этот эффект.

Группа исследователей из Нидерландского института космических исследований SRON, Института астрономии и астрофизики Академии Синика на Тайване и Лейденской обсерватории решила проверить это с помощью компьютерного моделирования. Они построили виртуальную модель горячего газового гиганта, который обращается вокруг красного карлика на расстоянии в сто раз меньшем, чем Земля от Солнца. Атмосфера этой планеты была богата тяжелыми элементами, в десять раз больше, чем на Солнце, что делает ее похожей на некоторые реальные экзопланеты, которые сейчас изучает телескоп Джеймс Уэбб.

Ученые использовали данные реальных наблюдений за звездой GJ 876, полученные проектом MUSCLES, и добавили к ним модель вспышек. Затем они прогнали эту информацию через программу, которая рассчитывает, как химические вещества в атмосфере реагируют на изменение излучения. В отличие от предыдущих работ, в этот раз в расчеты включили серу — элемент, который участвует в образовании таких молекул, как диоксид серы (SO₂). Это важно, потому что именно эти соединения часто служат индикаторами того, что происходит в атмосфере.

Моделирование показало, что во время очень сильной вспышки верхние слои атмосферы теряют многие молекулы. Например, диоксид серы, который обычно создает заметную линию в инфракрасном спектре на длине волны около 7-8 микрометров, на время исчезает. Его сигнал смещается на величину, соответствующую примерно 75 миллионным долям, то это очень много для точных измерений. Через полчаса после вспышки состав начинает восстанавливаться, но не полностью. Некоторые молекулы, например метан, разрушаются и уже не возвращаются к исходному уровню.

Самое интересное обнаружилось, когда ученые стали моделировать не одну вспышку, а множество повторяющихся, как это происходит в реальности. Оказалось, что со временем в атмосфере накапливаются изменения. Вода и метан медленно, но неуклонно исчезают. Диоксид серы, наоборот, накапливается в избытке, его становится примерно на 20 процентов больше, чем было бы без вспышек. А вот углекислый газ ведет себя сложнее: в одних слоях его больше, в других меньше.

Это означает, что атмосфера такой планеты никогда не находится в спокойном, стабильном состоянии. Она постоянно меняется под воздействием звездной активности. Когда астрономы смотрят на такую планету с помощью телескопа, они видят лишь мгновенный снимок. Если они попытаются определить состав атмосферы, предполагая, что она спокойна, они могут получить неверные результаты. Например, они могут недооценить количество метана или переоценить количество диоксида серы, что приведет к ошибочным выводам о том, как сформировалась планета.

Авторы также проверили, можно ли заметить такие изменения с помощью современных инструментов, таких как телескоп Джеймс Уэбб. Оказалось, что сигнал от планеты слишком слаб по сравнению с шумом, который вносит сама звезда. Пятна на поверхности звезды могут менять ее яркость настолько сильно, что различить на этом фоне вариации от планеты практически невозможно. Но это не значит, что проблему можно игнорировать. Наоборот, ученые подчеркивают: даже если мы не видим этих изменений напрямую, они все равно происходят, и их нужно учитывать при анализе данных.

В итоге исследование показало, что атмосферы газовых гигантов у активных красных карликов это не застывшие системы, а динамичные, постоянно меняющиеся среды. Вспышки на звезде не просто вызывают кратковременные возмущения, а запускают долгосрочные процессы, которые могут полностью изменить химический облик планеты. Это важно для будущих поисков жизни и для понимания того, как формируются и эволюционируют планеты в самых распространенных звездных системах нашей Галактики.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях