Планеты мини-Нептуна теряют атмосферу и становятся суперземлями

Астрономы выявили два разных случая планет «мини-Нептун», которые теряют свою пухлую атмосферу и, вероятно, превращаются в суперземли.

Излучение звезд планет разрушает их атмосферы, заставляя горячий газ улетучиваться, как пар из котла с кипящей водой.

Выводы, опубликованные в двух отдельных статьях в The Astronomical Journal, помогают нарисовать картину того, как формируются и развиваются такие экзотические миры.

Мини-Нептуны — это класс экзопланет, то есть планет, вращающихся вокруг звезд за пределами нашей Солнечной системы.

Эти миры, меньшие по размеру и более плотные версии планеты Нептун, состоят из больших каменных ядер, окруженных толстыми слоями газа.

В новых исследованиях группа астрономов во главе с Калифорнийским технологическим институтом использовала обсерваторию WM Keck на вершине Маунакеа на Гавайях для изучения одной из двух планет мини-Нептуна в звездной системе под названием TOI 560, расположенной в 103 световых годах от нас; и они использовали космический телескоп НАСА «Хаббл», чтобы посмотреть на два мини-Нептуна, вращающихся вокруг HD 63433, расположенных на расстоянии 73 световых года от нас.

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

«Большинство астрономов подозревали, что у молодых маленьких мини-Нептунов должна быть испаряющаяся атмосфера», — говорит 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», — говорит профессор планетарных наук Хизер Кнутсон, советник Чжана и соавтор исследования. «Нам еще многое предстоит узнать о том, как эти оттоки работают на практике».

Объяснение планетарного разрыва

С тех пор, как в середине 1990-х годов были обнаружены первые экзопланеты, вращающиеся вокруг солнцеподобных звезд, были обнаружены тысячи других.

Многие из них вращаются близко к своим звездам, а более мелкие, скалистые обычно делятся на две группы: мини-Нептуны и суперземли. Планеты этих типов не встречаются в нашей Солнечной системе.

Суперземли в 1,6 раза больше Земли (а иногда и в 1,75 раза больше Земли), а мини-Нептуны в два-четыре раза больше Земли. Было обнаружено несколько планет с размерами между этими двумя типами планет.

Одно из возможных объяснений этого разрыва состоит в том, что мини-Нептуны превращаются 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 оставило бы после себя каменистую суперземлю со значительно меньшим радиусом, которая теоретически могла бы сохранять относительно тонкую атмосферу, подобную той, что окружает нашу собственную планету.

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

По мнению астрономов, разрыв может быть объяснен другими сценариями. 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.

Подписи в солнечном 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 63433 c, но не на внутренней планете, HD 63433 b.

«Внутренняя планета, возможно, уже потеряла свою атмосферу», — объясняет 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 63433 c — 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 убегающие атмосферы:

Кокон газа вокруг TOI 560.01 как минимум в 3,5 раза больше радиуса планеты, а кокон вокруг HD 63433 c 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», — говорит Кнутсон. «Эти экзотические миры постоянно удивляют нас новой физикой, которая выходит за рамки того, что мы наблюдаем в нашей Солнечной системе».

Автор Уитни Клавин.