В поисках невидимых миров “Хаббл” нашёл быстро испаряющуюся экзопланету

Всем ясно, что если, например, рыбак ловил бы только крупную и мелкую рыбу, и мало рыбы среднего размера, его бы это, как минимум, озадачило. Астрономы были точно также озадачены при проведении переписи планет у других звёзд. Как оказалось, за всё время удалось найти много горячих Юпитеров, то есть планет, размером с наш газовый гигант, и много горячих суперземель — экзопланеты, диаметр которых не более чем в полтора раза превышает диаметр Земли. Эти планеты называют горячими, потому что они раскалены из-за близости к своей звезде. Но, так называемые «горячие Нептуны», атмосфера которых нагревается до более чем 900 градусов по Цельсию, найти гораздо труднее. На самом деле, до сих пор была найдена лишь небольшая горсть экзопланет этого класса.

Большинство известных экзопланет размером с Нептун называют просто «тёплыми», потому что они вращаются дальше от своей звезды, чем тот регион, в котором астрономы ожидали бы найти горячие версии этих экзопланет. Таинственный дефицит именно горячих Нептунов говорит о том, что такие чужеродные миры редки, или, они были широко распространены когда-то давно, но с тех пор исчезли.

В поисках невидимых миров “Хаббл” нашёл быстро испаряющуюся экзопланету

Иллюстрация экзопланеты, которая окружена облаком испаряющегося водорода. Сама планета имеет размер, сопоставимый с Нептуном. Источник: NASA, ESA and D. Player (STScI)

Несколько лет назад астрономы с помощью космического телескопа “Хаббл” обнаружили, что один из самых тёплых известных Нептунов под названием GJ 436b теряет свою атмосферу. Планета, скорее всего, не испарится полностью, а вот более горячим Нептунам, возможно, не так повезло в этом плане.

Теперь же астрономы использовали “Хаббл” для того, чтобы изучить второй «очень теплый» Нептун GJ 3470b, который теряет свою атмосферу со скоростью в 100 раз быстрее, чем GJ 436b. Обе планеты находятся на расстоянии примерно в 5.95 миллиона километров от своих звёзд. Это одна десятая расстояния между самой внутренней планетой нашей Солнечной системы, Меркурием, и Солнцем.

«Я думаю, что это первый случай, когда мы можем наблюдать такой драматичный период с точки зрения планетарной эволюции. Это один из самых экстремальных примеров того, как планета претерпевает большие потери массы в течение своей жизни. Такая существенная потеря массы имеет серьёзные последствия для её эволюции, это, также, влияет на наше понимание происхождения и судьбы популяции экзопланет, близких к своим звёздам”, — ведущий исследователь Винсент Бурье из Женевского университета в Саверни, Швейцария.

Как и в случае с ранее обнаруженными испаряющимися планетами, интенсивное излучение звезды нагревает атмосферу до такой степени, что она становится способной преодолеть гравитационное притяжение планеты. Выходящий газ образует гигантское облако вокруг экзопланеты, которое рассеивается в пространстве. Одна из причин, почему GJ 3470b испаряется быстрее, чем GJ 436b, заключается в том, что она не такая плотная, поэтому менее способна гравитационно сдерживать перегретую атмосферу.

Более того, возраст звезды, вокруг которой вращается GJ 3470b, составляет всего 2 миллиарда лет, по сравнению с возрастом звезды планеты GJ 436b, который может варьироваться от 4 до 8 миллиардов лет. Ясно, что молодая звезда более активна, поэтому она бомбардирует планету более сильным излучением, чем звезда у GJ 436b. Обе эти звезды относятся к красным карликам, которые имеют меньшие размеры, но живут дольше, чем наше Солнце.

Открытие двух испаряющихся тёплых Нептунов поддерживает идею о том, что более горячая версия этих далёких планет может быть отнесена к классу транзиторных, чья конечная судьба состоит в том, чтобы сжаться до самого распространенного типа известных экзопланет — мини Нептунов — планет с тяжёлыми, водородными атмосферами, которые больше Земли, но меньше Нептуна. В конце концов, эти планеты могут сократиться ещё больше и стать супер Землёй, то есть более массивной, каменистой версией самой Земли.

«Вопрос в том, куда делись горячие Нептун? Если мы вычислим размеры планет и расстояние до их звезды, то в таком распределении будет пустое место, дыра, провал в данных. Именно это и является загадкой. Мы не знаем, как сильно испарение атмосферы повлияло на формирование этой “пустыни”. Но наши наблюдения с помощью “Хаббла”, которые показывают большие потери массы прямо на краю этой области, являются прямым подтверждением того, что атмосферный унос играет важную роль в формировании этого провала”.

В поисках невидимых миров “Хаббл” нашёл быстро испаряющуюся экзопланету

На этом графике показаны экзопланеты в зависимости от их размера и расстояния от звезды. Каждая точка представляет собой экзопланету. Планеты размером с Юпитер (расположены в верхней части графика) и планеты размером с Землю и так называемые суперземли (внизу) располагаются как близко, так и далеко от их звёзд. Но планеты размером с Нептун (в середине) едва ли близки к своей звезде. Эта так называемая пустыня горячих Нептунов показывает, что такие чужеродные миры редки, или, они были широко распространены когда-то давно, но с тех пор исчезли. Обнаружение того, что GJ 3470b — тёплый Нептун на границе пустыни, быстро теряет свою атмосферу, предполагает, что более горячие Нептуны, возможно, превратились в более мелкие скалистые суперземли. Источник: NASA, ESA and A. Feild (STScI)

Исследователи использовали спектрограф космического телескопа “Хаббла” для выявления ультрафиолетовой сигнатуры водорода в огромном коконе, окружающем планету, когда она проходила перед её звездой. Дело в том, что промежуточный кокон водорода отфильтровывает часть звездного света, поэтому эти результаты интерпретируются как свидетельство утечки атмосферы планеты в космос.

По оценкам команды, планета потеряла до 35 процентов своего вещества за свою жизнь. Даже вероятно, что она теряла массу быстрее, когда её звезда-красный карлик была моложе и испускала ещё больше излучения. Если планета продолжит быстро терять свой материал, то она сократится до мини Нептуна уже через несколько миллиардов лет.

Водород, вероятно, не единственный элемент, который в этот момент испаряется: он может быть индикатором другого элемента, струящегося в космос. Исследователи планируют использовать “Хаббл” для поиска элементов, которые тяжелее, чем водород и гелий. Эти другие элементы могли сцепиться с газообразным водородом, чтобы также убежать с планеты.

«Мы считаем, что газообразный водород может захватывать с собой более тяжёлые элементы, такие как углерод, которые находятся глубже в атмосфере”.

Эти наблюдения являются частью сравнительного исследования экзопланет PanCET — программы “Хаббла” по изучению 20-ти экзопланет, в основном горячих Юпитеров, в рамках первого крупномасштабного ультрафиолетового, видимого и инфракрасного сравнительного исследования удалённых миров.

Наблюдение за испарением этих двух тёплых Нептунов обнадеживает в том плане, что наконец-то появилось более-менее нормально объяснение наблюдательным данным, но члены команды знают, что им нужно изучить больше подобных планет, чтобы подтвердить свои прогнозы. К сожалению, пока ещё не было обнаружено быть других планет этого класса, расположенных достаточно близко к Земле, чтобы их наблюдать. Проблема в том, что газообразный водород не может быть обнаружен у тёплых Нептунов уже на расстоянии более 150 световых лет от Земли, потому что он закрывается межзвёздным газом. Экзопланета GJ 3470b находится на расстоянии в 97 световых лет от Земли.

Однако помимо водорода, есть и другой индикатор уноса атмосферы — гелий. Астрономы могли бы использовать “Хаббл” и будущий космический телескоп имени Джеймса Уэбба для поиска в инфракрасном свете гелия, потому что он не может быть заблокирован межзвёздным веществом в космическом пространстве.

«Поиск гелия может расширить диапазон наших исследований. “Уэбб” будет обладать невероятной чувствительностью, поэтому мы сможем обнаружить гелий, убегающий с небольших планет, таких как мини-Нептуны”.

По информации НАСА.