Разработка прибора CUTE от концепции (схема прибора, вверху) до определения характеристик телескопа (летающий телескоп CUTE в испытательной лаборатории Университета Колорадо, в центре) и до предоставления данных испытаний внутриполосного спектрального разрешения (внизу). Фото: Астрономический журнал (2023 г.). DOI: 10.3847/1538-3881/aca8a2
Космический корабль размером с коробку из-под хлопьев провел точные измерения атмосфер больших и пухлых планет, называемых «горячими Юпитерами». Результаты, полученные под руководством команды из Университета Колорадо в Боулдере, могут помочь понять, как атмосфера вокруг этого и множества других миров ускользает в космос.
Эти наблюдения являются первыми результатами, полученными с трудолюбивого космического корабля НАСА, известного как Колорадский эксперимент по ультрафиолетовому транзиту (CUTE).
Кевин Франс, главный исследователь миссии, представит результаты группы в понедельник, 11 декабря, в 16:30 на собрании Американского геофизического союза 2023 года в Сан-Франциско.
Миниатюрный космический корабль, длина которого составляет всего 14 дюймов, может быть и симпатичным, но его научные результаты, опубликованные в «Астрономическом журнале», совсем не такие. С момента своего запуска в сентябре 2021 года CUTE навел свой единственный ультрафиолетовый телескоп на серию горячих Юпитеров, находящихся в нескольких сотнях световых лет от Земли.
Горячие Юпитеры — одни из самых горячих и агрессивных планет в галактике. Как следует из названия, это газовые гиганты, подобные нашему Юпитеру. Однако эти планеты прижимаются гораздо ближе к своим родным звездам, совершая оборот по орбите примерно раз в несколько земных дней. При этом звездное излучение нагревает горячие Юпитеры до тысяч градусов по Фаренгейту, а их атмосфера раздувается до огромных размеров, что-то вроде хлеба, поднимающегося в духовке.
Исследователи давно подозревали, что это постоянное воздействие звездной радиации может привести к разрушению атмосферы вокруг некоторых экзопланет в течение миллионов-миллиардов лет. Данные CUTE предполагают, что этот процесс может быть не таким простым.
Команда CUTE, в которую входят несколько студентов и аспирантов, уже наблюдала семь горячих Юпитеров, и в ближайшее время их будет еще больше. Некоторые из них, кажется, теряют свою атмосферу, но другие нет.
«Похоже, что планеты появляются во всех вариантах», — сказал Франс, доцент Лаборатории физики атмосферы и космоса (LASP) и Департамента астрофизических и планетарных наук.
Он добавил, что CUTE помогает ученым создать полевой путеводитель по множеству видов планет, существующих в галактике Млечный Путь, включая те, которые совсем не похожи на ближайших соседей Земли.
«Мы хотим понять, как наша Солнечная система вписывается в семейство солнечных систем во Вселенной», — сказал Франс. «Это означает понимание больших и маленьких планет, тех, на которых есть жизнь, и тех, на которых ее определенно нет, а также всех важных физических процессов, которые происходят на этих планетах».
Здесь становится жарко
Путь CUTE к научному успеху был нелегким.
Когда космический корабль впервые вышел на орбиту вокруг Земли, Франс и его коллеги быстро заметили, что в нем, похоже, возникли некоторые сбои — нормальная проблема для многих небольших спутников, или CubeSat, которые часто тестируют технологии, которые никогда раньше не летали в космос. В одном случае шторка, защищавшая телескоп CUTE, продолжала закрываться, когда этого не следовало делать.
Команда, в которую вошли несколько студентов и аспирантов, не сдавалась. Исследователи приказали космическому кораблю открыть затвор, а затем разрядили питающую его батарею, предотвращая повторное закрытие аппарата.
«CUTE все еще работает и собирает данные сегодня», — сказал Франс. «Когда мы получили первые настоящие научные результаты, это было действительно интересно».
CUTE наблюдает за далекими планетами, когда они проходят перед своими звездами, в результате чего ультрафиолетовый свет от этих звезд тускнеет. В некоторых случаях космический корабль настолько точен, что может обнаружить, когда свет звезд тускнеет всего на 1%.
В статье, опубликованной в сентябре в The Astrophysical Journal Letters, исследователи описали свои наблюдения за миром под названием WASP-189b. Эта планета вращается вокруг звезды в созвездии Весов на расстоянии более 300 световых лет или тысяч триллионов миль от Земли. Согласно результатам команды, он также невероятно жаркий: температура его атмосферы достигает примерно 15 000 градусов по Фаренгейту. Это на тысячи градусов горячее, чем поверхность Солнца.
Наблюдения CUTE также показывают, что газ выходит из-под WASP-189b с такой же ошеломляющей скоростью — около 400 миллионов килограммов (почти 900 миллионов фунтов) в секунду.
Планеты развиваются
Не все планеты, которые CUTE изучала в первые два года своего существования, были такими захватывающими. Согласно неопубликованным результатам, команда наблюдала вторую планету под названием MASCARA-4b, которая, похоже, вообще не теряла много газа. Другие, такие как KELT-9b, находились где-то посередине.
Франс и его коллеги надеются, что их результаты помогут раскрыть, почему некоторые планеты теряют большие куски своей атмосферы, в то время как другие остаются практически неизменными. Он подозревает, что это связано с сочетанием самих планет (большие планеты создают более сильное гравитационное притяжение) и динамики их звезд (более активные звезды, вероятно, наносят больший ущерб планетам, чем спокойные звезды).
Те же самые процессы потенциально со временем формируют планеты как внутри Солнечной системы Земли, так и за ее пределами. Ученые, например, предполагают, что Марс когда-то имел гораздо более плотную атмосферу, но Солнце разрушило ее за миллиарды лет.
Утечка атмосферы также может объяснить происхождение класса планет, известных как «суперземли», которые немного больше нашего мира.
«Есть много свидетельств того, что суперземли начинаются с планет размером с Нептун с большой, пухлой атмосферой, которые затем теряют так много массы, что все, что остается, — это скалистое ядро и, возможно, тонкая атмосфера», — сказал Франс.
По его словам, величайшим наследием CUTE, возможно, является ее влияние на студентов. Небольшая команда миссии, состоящая примерно из 20 человек, участвовала практически во всех аспектах жизни космического корабля — от создания спутника до его запуска, отправки ему команд, а затем загрузки и анализа научных данных. CUTE в настоящее время находится на высоте около 326 миль (525 километров) над поверхностью Земли и, как ожидается, вернется в атмосферу к 2027 году.
«Все это происходит во время крупных миссий НАСА, только в гораздо большем масштабе», — сказал Франс. «Наши студенты и начинающие ученые получают полный опыт от этапа предложения до выпуска научного продукта».
Информация от: Университетом Колорадо в Боулдере.
