Эволюция экзопланет? Мини-Нептуны могут потерять свою атмосферу и стать суперземлями (видео)

Два новых исследования указывают на особые возможности планетарной эволюции. 

Эти новые исследования предполагают, что звездное излучение удаляет «пушистую» атмосферу экзопланет, немного меньших, чем Нептун, оставляя вместо их скалистые ядра и превращая их в миры, более похожие на Землю. 

В 90-х годах прошлого века астрономы подтвердили существование планет за пределами Солнечной системы. Известные как экзопланеты, они являются одними из самых увлекательных объектов современной астрономии. 

Космические аппараты, такие как новаторская обсерватория NASA «Кеплер» и спутник для исследования транзитных экзопланет (TESS), сканировали небо в поисках периодических провалов яркости ближайших звезд. Это мигание является признаком того, что у звезды находится планета, которая пересекла диск светила и временно заблокировала ее свет. 

Теперь, когда астрономы собрали тысячи сигнатур экзопланет, они лучше понимают диапазон размеров планет. Один полезный способ, которым астрономы обозначают свои открытия, — это сравнение этих миров с уже относительными исследованными планетами, обитающими в нашей Солнечной системе. Существуют категории экзопланет, такие, например, как «суперземли» и «мини-нептуны». 

Два новых исследования указывают на особые возможности планетарной эволюции, что является одним из ключевых мотивирующих факторов исследований экзопланет. Некоторые экзопланеты, обнаруженные астрономами, представляют собой небольшие каменистые миры, такие как Марс, а другие — большие газообразные планеты, такие как Сатурн и Юпитер. 

Но исследователи также нашли миры, не имеющие близких аналогов в нашей Солнечной системе. Например, они обнаружили экзопланеты размером между Землей и Нептуном, что примерно в 3,9 раза шире нашей планеты. Оказывается, согласно новому исследованию, эти мини-нептуны могут сбрасывать свои «пушистые» внешние оболочки и сжиматься в суперземли. Эта нестабильность и переход могут объяснить, почему экзопланеты размером между Нептуном и Землей обнаруживаются относительно редко. 

«Планета с такой разницей в размерах будет иметь достаточно атмосферы, чтобы увеличить свой радиус, заставляя ее перехватывать больше звездного излучения и тем самым обеспечивая быструю потерю массы», — сообщает Майкл Чжан, ведущий автор обоих исследований и аспирант Калифорнийского технологического института в Пасадене в заявлении от 3 февраля, описывающем документы. — «Но их атмосфера достаточно тонкая, чтобы быстро потеряться. Вот почему планета не может долго оставаться в промежутке». 

Система TOI-270, которая не была предметом исследования Майкла Чжана и его коллег, однако  вокруг ее звезды вращаются одна суперземля (самая внутренняя планета) и два мини-Нептуна (самые внешние планеты). Эту систему вполне можно рассматривать, как пример утверждений группы Чжана. 

По словам Чжана, этот процесс до сих пор никто не зафиксировал. Но астрономы некоторое время подозревали, что маленькие мини-нептуны имеют испаряющуюся атмосферу. 

Исследователи использовали космический телескоп Hubble и обсерваторию В. М. Кека на Гавайях, чтобы наблюдать за четырьмя мини-нептунами. Они заметили, что у двух из них — одного под названием HD 63433c, расположенного в 73 световых годах от Земли, и другого под названием TOI-560.01 — в 103 световых годах от нас, — был обнаружен быстро движущийся газ в их атмосферах. 

«Скорость газов свидетельствует о том, что атмосфера уходит», — сказал Чжан. — «Наблюдаемый гелий вокруг TOI-560.01 движется со скоростью 20 километров в секунду, в то время как водород вокруг HD 63433c движется со скоростью 50 километров в секунду. Гравитация этих мини-Нептунов недостаточно сильна, чтобы удерживать такой быстро движущийся газ. Масштабы истечения вокруг планет также указывают на ускользающие атмосферы. Газовая оболочка вокруг TOI-560.01, по крайней мере, в 3,5 раза больше радиуса планеты, а оболочка вокруг HD 63433c по крайней мере в 12 раз больше планетарного радиуса». 

Чжан и его команда не исключают других возможных сценариев. Может быть, например, у суперземли никогда не было толстого газового покрова, который можно было бы сбросить. 

«Как исследователи экзопланет, мы научились ожидать неожиданностей», — говорится в заявлении Хизер Кнутсон, планетолога Калифорнийского технологического института и советника Чжана. — «Эти экзотические миры постоянно удивляют нас новой физикой, которая выходит за рамки того, что мы наблюдаем в нашей Солнечной системе». 

Статьи, описывающие исследование TOI-560.01 и наблюдения HD 63433c, были опубликованы 17 января 2022 года в The Astronomical Journal.

Ранее сообщалось о том, что на причудливой экзопланете WASP-189b обнаружили многослойную атмосферу из испаренных металлов.