Концепция этого художника показывает, как могла бы выглядеть субнептуновая экзопланета TOI-421 b. В новом исследовании ученые нашли новые доказательства того, как эти типы планет могут терять свою атмосферу. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА и Д. Плейер (STScI).
Новое исследование может объяснить «пропавшие» экзопланеты между суперземлями и субнептунами.
Некоторые экзопланеты, похоже, теряют свою атмосферу и сжимаются. В новом исследовании с использованием бывшего космического телескопа НАСА «Кеплер» астрономы находят доказательства возможной причины: ядра этих планет отталкивают свои атмосферы изнутри наружу.
Исследование опубликовано в The Astronomical Journal.
Экзопланеты (планеты за пределами нашей Солнечной системы) бывают самых разных размеров: от маленьких скалистых планет до колоссальных газовых гигантов. В середине лежат скалистые суперземли и более крупные субнептуны с пухлой атмосферой. Но налицо явное отсутствие — «разрыв в размерах» — планет, размер которых в 1,5–2 раза превышает размер Земли (или находится между суперземлями и субнептунами), над изучением которого ученые работают.
«Ученые подтвердили обнаружение более 5000 экзопланет, но планет с диаметром в 1,5–2 раза больше земного меньше, чем ожидалось», — сказала научный сотрудник Калифорнийского технологического института/IPAC Джесси Кристиансен, научный руководитель Архива экзопланет НАСА и руководитель автор нового исследования. «Учёные, изучающие экзопланеты, теперь имеют достаточно данных, чтобы сказать, что этот разрыв не является случайностью. Что-то происходит, что мешает планетам достигать и/или оставаться в этом размере».
Исследователи полагают, что этот разрыв можно объяснить тем, что некоторые субнептуны со временем теряют свою атмосферу. Эта потеря произошла бы, если бы у планеты не было достаточной массы и, следовательно, гравитационной силы, чтобы удержать свою атмосферу. Таким образом, субнептуны, которые недостаточно массивны, сожмутся до размеров суперземли, оставив разрыв между двумя размерами планет.
Но как именно эти планеты теряют свою атмосферу, остается загадкой. Ученые остановились на двух вероятных механизмах: один называется потерей массы за счет энергии ядра; и другой, фотоиспарение. Исследование выявило новые доказательства, подтверждающие первое.
Разгадка тайны
Потеря массы за счет энергии ядра происходит, когда радиация, испускаемая горячим ядром планеты, со временем отталкивает атмосферу от планеты, «и эта радиация давит на атмосферу снизу», — сказал Кристиансен.
Другое ведущее объяснение планетарного разрыва — фотоиспарение — происходит, когда атмосфера планеты по существу сдувается горячим излучением ее родительской звезды. В этом сценарии «высокоэнергетическое излучение звезды действует как фен на кубик льда», сказала она.
Хотя считается, что фотоиспарение происходит в течение первых 100 миллионов лет существования планеты, потеря массы за счет энергии ядра, как полагают, происходит гораздо позже — ближе к 1 миллиарду лет жизни планеты. Но при любом механизме «если у вас недостаточно массы, вы не сможете удержаться, потеряете атмосферу и уменьшитесь», добавил Кристиансен.
Для этого исследования Чистиансен и ее соавторы использовали данные НАСА K2, расширенной миссии космического телескопа Кеплер, чтобы изучить звездные скопления Празепе и Гиады, возраст которых составляет от 600 до 800 миллионов лет. Поскольку обычно считается, что планеты того же возраста, что и их родительская звезда, субнептуны в этой системе уже прошли тот возраст, когда могло происходить фотоиспарение, но недостаточно старые, чтобы испытать потерю массы за счет ядра.
Поэтому, если бы команда увидела, что в Пресепе и Гиадах было много субнептунов (по сравнению с более старыми звездами в других скоплениях), они могли бы заключить, что фотоиспарения не произошло. В этом случае потеря массы за счет энергии ядра будет наиболее вероятным объяснением того, что со временем происходит с менее массивными субнептунами.
Наблюдая за Пресепе и Гиадами, исследователи обнаружили, что почти 100% звезд в этих скоплениях все еще имеют на своей орбите субнептуновую планету или планету-кандидата. Судя по размеру этих планет, исследователи полагают, что они сохранили свою атмосферу.
В этой инфографике подробно описаны основные типы экзопланет. Ученые работали над тем, чтобы лучше понять «разрыв в размерах» или явное отсутствие планет, находящихся между суперземлями и субнептунами. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Это отличается от других, более старых звезд, наблюдаемых K2 (звезд возрастом более 800 миллионов лет), только 25% из которых имеют орбиту субнептуна. Более старый возраст этих звезд ближе к временным рамкам, в которых, как полагают, происходит потеря массы за счет энергии ядра.
На основании этих наблюдений команда пришла к выводу, что фотоиспарение не могло иметь место в Пресепе и Гиадах. Если бы это было так, это произошло бы на сотни миллионов лет раньше, и на этих планетах почти не осталось бы атмосферы. Это делает потерю массы за счет энергии ядра основным объяснением того, что вероятно происходит с атмосферами этих планет.
Команда Кристиансена потратила более пяти лет на создание каталога планет-кандидатов, необходимого для исследования. Но исследования еще далеки от завершения, сказала она, и вполне возможно, что нынешнее понимание фотоиспарения и/или потери массы за счет энергии ядра может измениться. Выводы, вероятно, будут проверены будущими исследованиями, прежде чем кто-либо сможет объявить, что тайна этого планетарного разрыва раскрыта раз и навсегда.
Это исследование было проведено с использованием Архива экзопланет НАСА, которым управляет Калифорнийский технологический институт в Пасадене по контракту с НАСА в рамках Программы исследования экзопланет, которая расположена в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. JPL является подразделением Калифорнийского технологического института.
