TESS и JWST раскрывают разрушающиеся недра планет

На собрании Американского астрономического общества в 2025 году две группы астрономов из Пенсильванского государственного университета и Массачусетского технологического института независимо друг от друга объявили о новых открытиях о крайней форме планетарного разрушения: по-видимому, скалистые планеты распадаются под сильным нагревом своих звезд-хозяев.

Команда штата Пенсильвания представила новые измерения внутреннего состава каменистой планеты с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), а команда Массачусетского технологического института представила открытие самой близкой и быстро распадающейся планеты на сегодняшний день с помощью спутника для исследования транзитных экзопланет (TESS). ). Результаты будут опубликованы на сервере препринтов arXiv.

Обе космические обсерватории наблюдали за тысячами звезд в поисках крошечных периодических вспышек света, называемых транзитами, из-за вращения планет по орбитам, которые случайно приводят их между Землей и Солнцем. Обычно эти провалы симметричны и происходят каждые несколько недель или месяцев — каждый раз, когда планета обращается вокруг своей звезды.

В редких случаях планеты вращаются вокруг своих звезд каждые несколько часов, потому что они находятся очень близко к своим звездам, так называемые планеты со сверхкоротким периодом или USP.

Распадающиеся планеты представляют собой чрезвычайно редкую подкатегорию USP: можно наблюдать только те, которые достаточно горячие, чтобы испарять их поверхности, и достаточно маленькие, чтобы не удерживать материал гравитацией. Этот материал покидает планету в динамичном, хаотическом процессе, который заставляет транзитный сигнал менять силу с каждой орбитой. Также характерно образование пылевого хвоста, очень похожего на хвост кометы, при выходе пыли в космос.

«Эти планеты буквально выбрасывают для нас свои кишки в космос, и с помощью JWST у нас наконец-то появилась возможность изучить их состав и выяснить, из чего на самом деле состоят планеты, вращающиеся вокруг других звезд», — сказал Ник Тусай, доктор философии. студент Пенсильванского университета, работающий в Центре экзопланет и обитаемых миров и ведущий автор одного из исследований.

«Примечательно, что прямое измерение недр планет в Солнечной системе является настолько сложной задачей — у нас есть ограниченные образцы мантии Земли и нет доступа к образцам Меркурия, Венеры или Марса — но здесь мы нашли планеты со светимостью, находящейся на расстоянии сотен лет», отправить их внутренности в космос и осветить их сзади, чтобы мы могли изучить их с помощью наших спектрографов», — сказал Джейсон Райт, профессор астрономии и астрофизики, соавтор исследования Пенсильванского университета и исследования Тусай. доктор философии Надзор.

«Это замечательная и счастливая возможность понять внутреннюю часть планеты Земля», — добавил он.

Команда штата Пенсильвания настроила спектрограф JWST на K2-22, звезде, открытой космическим кораблем «Кеплер» в рамках его расширенной миссии K2, и на которой находится одна из этих испаряющихся планет, K2-22b. Эта планета обращается каждые 9,1 часа и имеет температуру поверхности 2100 К — достаточную, чтобы не только плавить железо и камень, но и испарять их в космическом вакууме.

«K2-22b имеет асимметричный транзитный профиль, поскольку перед звездой становится видно пыльное облако выхлопных газов планеты и обнаруживаются признаки удлиненных кометных хвостов», — сказал Тусай. Команда Тусай сравнила спектр звезды до и после транзита со спектром во время события.

«Мы не знали, чего ожидать», — сказал Райт, который также был соавтором предыдущего исследования о том, как можно использовать JWST для изучения этих экзопланетных хвостов. Некоторые астрономы предполагали, что эти планеты уже потеряли всю свою внешнюю материю и будут состоять только из голого железного ядра.

Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.

«Мы надеялись, что у них все еще могут быть шкуры или, возможно, даже испарившийся материал корки. «Спектрограф среднего инфракрасного диапазона MIRI компании JWST был идеальным инструментом для проверки, поскольку материалы земной коры, силикатной мантии и железного ядра пропускали свет по-разному, которые JWST мог различать спектроскопически», — добавил Райт.

«К сожалению, мы не наблюдали планету, когда ее хвост был очень плотным, поэтому наш спектр оказался слабее и его труднее интерпретировать, чем ожидалось», — сказал Тусай.

Тем не менее, они обнаружили спектр, который в целом соответствовал идее о том, что этот материал произошел из силикатного материала, такого как мантия Земли. Команда также обнаружила неожиданные узкие детали размером 4,5 и 5,1 микрометра.

Этого не было ни в одной из первоначальных моделей команды, и, похоже, это согласуется с углекислым газом (CO2) и оксидом азота (NO) — двумя соединениями, которые обычно ассоциируются с ледяными телами, такими как кометы, а не с мантиями планет земной группы, таких как Земля или Меркурий. . «На самом деле это было что-то вроде: «Кто это заказал?» Подождите», — сказал Тусай.

Команда надеется, что теперь, когда они доказали обоснованность метода, они смогут в дальнейшем использовать JWST для проверки этих особенностей с более высокой значимостью и сбора данных, которые помогут теоретикам лучше смоделировать этот странный объект.

Исследования таких планет также достигли большого прогресса благодаря усилиям команды Массачусетского технологического института, которая объявила об открытии новой распадающейся планеты, обнаруженной TESS, вращающейся вокруг звезды BD+05 4868 A.

«Распадающаяся планета, вращающаяся вокруг BD+05 4868 A, имеет самые поразительные пылевые хвосты», — сказал Марк Хон, научный сотрудник научного офиса MIT TESS и руководитель исследования MIT.

«Пылевые хвосты, исходящие от быстро испаряющейся планеты, огромны. Его длина около 9 миллионов километров совершает оборот вокруг более половины орбиты планеты вокруг звезды каждые 30,5 часов», — добавил он.

О размерах пылевых хвостов BD+05 4868 Ab свидетельствует увеличенная продолжительность транзита (до 15 часов) и значительная глубина транзитов, которые блокируют более 1% света, излучаемого звездой.

Как и у K2-22b, у BD+05 4868 Ab вместо одного кометоподобного хвоста их два — один до и один после орбиты планеты. Наличие двух характерных хвостов объясняется наличием пылинок разного размера, исходящих от планеты. Считается, что передний хвост содержит более крупные частицы пыли, по размеру сравнимые с песком пустыни, тогда как задний хвост в основном состоит из более мелких зерен, по размеру схожих с частицами сажи.

Основываясь на размерах пылевых хвостов BD+05 4868 Ab, исследование Массачусетского технологического института пришло к выводу, что планета должна быстро распадаться со скоростью, эквивалентной количеству материала, производимого одной луной каждый миллион лет. Если предположить, что BD+05 4868 Ab имеет примерно такую ​​же массу, как Луна, планета полностью испарится в течение одного-двух миллионов лет, что очень быстро по космическим меркам.

«Скорость испарения планеты абсолютно катастрофична, и нам невероятно повезло стать свидетелями последних часов этой умирающей планеты», — сказал Хон.

«Что еще чрезвычайно интересно в BD+05 4868 Ab, так это то, что у нее самая яркая родительская звезда среди всех других распадающихся планет — примерно в 100 раз ярче, чем K2-22, — что делает ее эталоном для будущих исследований распада таких систем», — сказал он. Ави Шпорер, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института и соавтор проекта Массачусетского технологического института.

«До нашего исследования три другие известные распадающиеся планеты располагались вблизи слабых звезд, что затрудняло их изучение», — добавил он.

Обе команды совместно представили предложение JWST по изучению BD+05 4868 A таким же образом, как и K2-22. «Качество данных, которые мы должны получить от BD+05 4868 A, будет превосходным», — сказал Шпорер. «Эти исследования продемонстрировали обоснованность этого подхода к пониманию внутренней части экзопланет и открыли дверь для совершенно нового направления исследований с помощью JWST».

Информация от: Американским астрономическим обществом.