Расположенная в 163 световых годах от Земли экзопланета размером с Юпитер под названием WASP-69b предлагает астрофизикам возможность увидеть динамические процессы, которые формируют планеты по всей галактике. Звезда, вокруг которой она вращается, выпекается и удаляет атмосферу планеты, и эта ускользнувшая атмосфера превращается звездой в огромный, похожий на комету хвост длиной не менее 350 000 миль.
Я астрофизик. Моя исследовательская группа опубликовала в Astrophysical Journal статью, описывающую, как и почему образовался хвост WASP-69b, и что его формирование может пролить свет на другие типы планет, которые астрономы стремятся обнаружить за пределами нашей Солнечной системы.
Вселенная, наполненная экзопланетами
Когда вы смотрите на ночное небо, звезды, которые вы видите, — это солнца, а вокруг них вращаются далекие миры, известные как экзопланеты. За последние 30 лет астрономы обнаружили в нашей галактике Млечный Путь более 5600 экзопланет.
Нелегко обнаружить планету на расстоянии световых лет. Планеты бледнеют по сравнению с размерами и яркостью звезд, вокруг которых они вращаются. Но, несмотря на эти ограничения, исследователи экзопланет обнаружили удивительное разнообразие — от маленьких скалистых миров, едва превышающих нашу собственную Луну, до газовых гигантов, настолько колоссальных, что их прозвали «супер-Юпитерами».
Однако наиболее распространенные экзопланеты, которые обнаруживают астрономы, больше Земли, меньше Нептуна и вращаются вокруг своих звезд ближе, чем Меркурий вращается вокруг нашего Солнца.
Художественная интерпретация вида с воздуха экзопланеты WASP-69b на ее 3,8-дневной орбите вокруг своей звезды. Ее атмосфера удаляется и превращается в длинный хвост, похожий на комету, который тянется за планетой. Фото: Обсерватория В.М. Кека/Адам Макаренко.
Эти ультраобычные планеты, как правило, попадают в одну из двух отдельных групп: суперземли и субнептуны. Радиус суперземель на 50% больше радиуса Земли, тогда как субнептуны обычно имеют радиус в два-четыре раза больше радиуса Земли.
Между этими двумя диапазонами радиусов существует разрыв, известный как «Разрыв радиуса», в котором исследователи редко находят планеты. А планеты размером с Нептун, которые совершают оборот вокруг своей звезды менее чем за четыре дня, чрезвычайно редки. Исследователи называют этот разрыв «Горячей пустыней Нептуна».
Некоторые основные астрофизические процессы, должно быть, препятствуют формированию или выживанию этих планет.
Формирование планеты
По мере формирования звезды вокруг нее образуется большой диск из пыли и газа. В этом диске могут образовываться планеты. По мере того, как молодые планеты набирают массу, они могут накапливать значительные газовые атмосферы. Но по мере взросления звезды она начинает излучать большое количество энергии в виде ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Это звездное излучение может испечь атмосферы, накопленные планетами, в процессе, называемом фотоиспарением.
Однако некоторые планеты сопротивляются этому процессу. Более массивные планеты имеют более сильную гравитацию, что помогает им сохранять свою первоначальную атмосферу. Кроме того, планеты, находящиеся дальше от своей звезды, не подвергаются такому сильному воздействию радиации, поэтому их атмосфера разрушается меньше.
Суб-Нептуны или планеты, подобные Нептуну, во многом напоминают супер-Землю, но с плотной атмосферой. Фото: НАСА-Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт.
Итак, возможно, значительная часть суперземель на самом деле представляет собой каменистые ядра планет, атмосфера которых была полностью лишена, в то время как субнептуны были достаточно массивными, чтобы сохранить свою пухлую атмосферу.
Что касается Горячей пустыни Нептуна, то большинство планет размером с Нептун просто недостаточно массивны, чтобы полностью противостоять разрушительной силе своей звезды, если она вращается слишком близко. Другими словами, субнептун, вращающийся вокруг своей звезды за четыре дня или меньше, быстро потеряет всю свою атмосферу. При наблюдении атмосфера уже потеряна, и остается лишь голое каменное ядро — супер-Земля.
Чтобы проверить эту теорию, исследовательские группы, подобные моей, собирают данные наблюдений.
WASP-69b: Уникальная лаборатория
Посетите WASP-69b, уникальную лабораторию по изучению фотоиспарения. Название «WASP-69b» произошло от способа его открытия. Это была 69-я звезда с планетой b, обнаруженная в ходе обзора Wide Angle Search for Planets.
Несмотря на то, что WASP-69b на 10% больше Юпитера по радиусу, на самом деле он ближе к массе гораздо более легкого Сатурна — он не очень плотный и имеет лишь около 30% массы Юпитера. Фактически, эта планета имеет примерно такую же плотность, как кусок пробки.
Такая низкая плотность является результатом ее сверхблизкой орбиты вокруг своей звезды, продолжающейся 3,8 дня. Находясь так близко, планета получает огромное количество энергии, из-за чего она нагревается. При нагревании газ расширяется. Как только газ расширяется достаточно, он начинает навсегда покидать гравитацию планеты.
Когда мы наблюдали эту планету, мы с коллегами обнаружили газообразный гелий, быстро выходящий из WASP-69b — около 200 000 метрических тонн в секунду. Это означает, что масса Земли теряется каждый миллиард лет.
За время существования звезды эта планета потеряет общую массу атмосферы, почти в 15 раз превышающую массу Земли. Звучит много, но масса WASP-69b примерно в 90 раз превышает массу Земли, поэтому даже при такой экстремальной скорости он потеряет лишь небольшую часть общего количества газа, из которого он состоит.
Кометный хвост WASP-69b.
Пожалуй, самым поразительным является открытие протяженного гелиевого хвоста WASP-69b, который, как обнаружила моя команда, тянется за планетой по меньшей мере на 350 000 миль (около 563 000 километров). Сильные звездные ветры, представляющие собой постоянный поток заряженных частиц, испускаемых звездами, формируют подобные хвосты. Эти ветры частиц врезаются в ускользающую атмосферу и формируют из нее кометный хвост позади планеты.
Наше исследование фактически является первым, кто предположил, что хвост WASP-69b был настолько обширным. Прошлые наблюдения этой системы показали, что у планеты был лишь скромный хвост или даже вообще не было хвоста.
Эта разница, вероятно, сводится к двум основным факторам. Во-первых, каждая исследовательская группа использовала разные инструменты для своих наблюдений, что могло привести к разным уровням обнаружения. Или в системе может быть реальная изменчивость.
У такой звезды, как наше Солнце, есть цикл магнитной активности, называемый «солнечным циклом». Солнце светит 11 лет. В годы пиковой активности на Солнце появляется больше вспышек, пятен и изменений в солнечном ветре.
Еще больше усложняет ситуацию то, что каждый цикл уникален — не бывает двух одинаковых солнечных циклов. Солнечные ученые все еще пытаются лучше понять и предсказать активность нашего Солнца. У других звезд есть свои собственные магнитные циклы, но у ученых пока недостаточно данных, чтобы понять их.
Таким образом, изменчивость, наблюдаемая для WASP-69b, может быть связана с тем, что каждый раз, когда ее наблюдают, родительская звезда ведет себя по-разному. Астрономам придется продолжить наблюдения за этой планетой в будущем, чтобы получить лучшее представление о том, что именно происходит.
Наш непосредственный взгляд на потерю массы WASP-69b расскажет исследователям экзопланет, таким как я, больше о том, как работает планетарная эволюция. Это дает нам доказательства в реальном времени выхода атмосферы и поддерживает теорию о том, что горячие Нептуны и планеты с радиусной щелью трудно найти, потому что они недостаточно массивны, чтобы сохранить свою атмосферу. И как только они их потеряют, все, что останется наблюдать, — это скалистое ядро суперземли.
Исследование WASP-69b подчеркивает хрупкий баланс между составом планеты и ее звездной средой, формирующий разнообразный планетарный ландшафт, который мы наблюдаем сегодня. Поскольку астрономы продолжают исследовать эти далекие миры, каждое открытие приближает нас к пониманию сложной структуры нашей Вселенной.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
