По мере того, как ученые-охотники за планетами находят все больше и больше планет, они сталкиваются с некоторыми загадками. Один из них касается отсутствия миров размером с Нептун, вращающихся вокруг своих звезд. Астрономы считают, что эти планеты недостаточно массивны, чтобы сохранить свою атмосферу перед лицом мощного излучения звезд, которое ее разрушает.
Но по крайней мере одна из этих планет сохранила свою атмосферу. Как?
У астрономов есть название для отсутствия планет размером с Нептун вблизи звезд. Они называют ее Нептуновой пустыней или иногда «пустыней испарения».
Этот термин имеет лишь широкое определение и обычно описывается как область, настолько близкая к звезде, что орбитальный период составляет всего от двух до четырех дней. Это также определяется отсутствием планет размером с Нептун и массой около одной десятой массы Юпитера. Обычно планеты теряют свою атмосферу, когда они мигрируют так близко к звездам, и превращаются в каменистые ядра, представляющие собой лишь остатки своей когда-то пухлой сущности.
Одна планета, сохранившая свою атмосферу в Нептуновой пустыне, — это LTT 9779 b. Она вращается вокруг звезды G-типа на расстоянии около 260 световых лет от нас. Он имеет 29 земных масс и сохранил свою атмосферу, несмотря на то, что находится всего в 0,01679 а.е. от своей звезды и ему требуется всего 0,8 дня, чтобы совершить оборот по орбите. В этой ситуации подавляющее излучение звезды должно было просто уничтожить атмосферу планеты. Почему нет?
Новое исследование призвано ответить на этот вопрос. Его название — «Выживание в пустыне Нептуна: LTT 9779 b сохранила свою атмосферу благодаря необычно слабой в рентгеновском диапазоне родительской звезде». Оно будет опубликовано в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества». Ведущий автор — Хорхе Фернандес Фернандес, аспирант группы астрономии и астрофизики Уорикского университета.
Фотоиспарение — хорошо изученное явление, связанное с вращением звезд. Все звезды вращаются, и когда они вращаются быстро, они генерируют мощные магнитные поля, которые, в свою очередь, излучают мощную электромагнитную энергию в виде рентгеновских лучей и ультрафиолетового излучения. Когда эти энергичные фотоны ударяются о молекулы в атмосфере планеты, они выталкивают их в космос. Противодействовать ему может только гравитация планеты, что объясняет, почему в Нептуновой пустыне так много массивных горячих Юпитеров и почти нет планет.
LTT 9779 b — единственная известная планета типа Нептуна с орбитальным периодом менее одного дня, имеющая значительную водородно-гелиевую атмосферу. Чтобы планета удерживала свою атмосферу в такой непосредственной близости от своей звезды, должно происходить что-то необычное. «Если пустыня Нептуна является результатом фотоиспарения, вызванного рентгеновскими лучами/EUV, то удивительно, что атмосфера LTT 9779 b пережила интенсивную бомбардировку фотонами высокой энергии со стороны своей молодой родительской звезды», – пишут авторы.
Ответ должен лежать в самой звезде, поскольку планета такого размера ничего не может сделать, чтобы защитить себя. Он находится прямо на пути мощного излучения своей звезды, и его ничто не может защитить. Чтобы более внимательно изучить звезду, исследователи, проводившие это исследование, использовали XMM-Newton, рентгеновскую обсерваторию ЕКА, запущенную в 1999 году.
Космический корабль также называют рентгеновской многозеркальной миссией с высокой пропускной способностью рентгеновской спектроскопии. Его миссия состоит в исследовании межзвездных источников рентгеновского излучения, и, хотя он был запущен с запланированной 10-летней миссией, она все еще продолжается спустя почти 24 года. Данные XMM-Newton лежат в основе этого исследования.
Рентгеновское излучение звезды усиливается ее вращением. Высокая скорость вращения создает более сильные магнитные поля, что означает более сильное рентгеновское излучение, а более медленное вращение означает более слабое излучение. Скорость вращения LT 9779 составляет около 1,06 км/с, а один оборот занимает около 45 дней, хотя данные, подтверждающие это, немного слабы. Сравните это с более высокой скоростью вращения Солнца, равной 1,997 км/с. Это почти в два раза быстрее, а Солнце движется медленнее, чем большинство звезд. Горячие звезды часто могут вращаться со скоростью более 100 км/с. С этой точки зрения LT 9779 вращается со скоростью улитки.
Возраст является еще одним фактором рентгеновского излучения звезды, и исследователи сравнили его излучение с ее возрастом. «Мы наблюдали LTT 9779 с помощью XMM-Newton и измерили верхний предел ее рентгеновской светимости, который в пятнадцать раз ниже, чем ожидалось для ее возраста», — говорится в документе.
Исследователи также смоделировали внутреннюю структуру планеты и то, как это повлияло на историю потери массы. Они смоделировали радиус планеты, массовую долю оболочки и скорость потери массы в рамках двух разных историй XUV. У одного была ожидаемая история звездного излучения, а у другого — слабая история звездного излучения.
Они обнаружили, что «…сохранение его атмосферы до наших дней согласуется с необычно слабой историей XUV-излучения, которая соответствует как рентгеновским лучам, так и измерениям скорости вращения».
Так что же случилось в этой системе, что одна из ее планет сохранилась в пустыне?
Предыдущие исследования показали, что этот необычный сценарий обусловлен поздней миграцией планеты внутрь, за которой последовало так называемое переполнение полости Роша. Переполнение полости Роша обычно происходит в двойных звездных системах, где одна звезда не может удержать всю свою массу, а лишний материал образует аккреционный диск вокруг второй звезды. Но в данном случае есть одна звезда, вытягивающая материал из планеты, и, согласно этому более раннему исследованию, планета возникла как планета с массой Юпитера, которая потеряла большую часть своего материала из-за звезды, оставив позади LTT 9779 b размером с Нептун. .
Но, согласно этой работе, это объяснение не выдерживает критики. Эти исследователи пришли к другому выводу, не связанному с миграцией.
«Мы пришли к выводу, что LTT 9779, скорее всего, сформировалась как аномально медленно вращающаяся звезда, и что ее близкая к Нептуну планета LTT 9779 b, таким образом, смогла выжить в пустыне Нептуна до наших дней из-за необычно низкого рентгеновского излучения. облучение», — пишут они в своем заключении.
Еще больше подтверждающих доказательств можно получить из самой атмосферы планеты. Он обладает чрезвычайно высокой металличностью, и более тяжелые молекулы сложнее отделить, чем более легкие. Он также имеет высокое альбедо, которое отражает часть излучения звезды. Это могло только помочь LTT 9770 b сохранить свою атмосферу.
Это исследование подтверждает идею о том, что за пустыней Нептуна стоит фотоиспарение. Было бы невероятным совпадением, если бы единственная планета в пустыне Нептуна, сохранившая свою атмосферу, находилась вокруг очень медленно вращающейся звезды со слабыми выбросами, и слабые выбросы не имели бы к этому никакого отношения. Это увеличило бы доверие.
«Наконец, наш вывод о том, что единственная известная планета глубоко в Нептуновой пустыне с газовой оболочкой также необычна тем, что имеет слабую рентгеновскую звезду, решительно поддерживает предположение о том, что первичная звезда
Происхождение Нептуновой пустыни связано с фотоиспарением, вызванным рентгеновскими лучами».
