Астрономы впервые показали процесс потери атмосферы в «подростковых» планетных системах

Как правило, астрономы видят либо «младенцев» — системы, только что сформировавшиеся из газопылевого диска, — либо уже зрелые группы небесных тел, которые давно пришли в равновесие. Однако промежуточный этап, когда планеты активно теряют атмосферу и одновременно меняют архитектуру, длится мгновение по космическим меркам. Вот почему наблюдать эти изменения удается нечасто.

К счастью, планетная система TOI-2076, обращающаяся вокруг молодой звезды спектрального класса K (оранжевые светила с температурой поверхности от 3500 до 4700 градусов Цельсия), оказалась той самой редкой находкой «переходного возраста». 

Международная группа астрономов под руководством Му Тянь-Вана (Mu-Tian Wang) из Калифорнийского технологического института (США), провела детальную перепись четырех планет системы радиусом от 1,4 до 3,5 радиуса Земли. Анализ данных, полученных с помощью космической обсерватории TESS и наземных наблюдений, позволил уточнить массу небесных тел и орбитальные параметры.

Выяснилось, что все четыре планеты встроены в почти резонансную цепочку: периоды их обращения вокруг звезды близки к простым числовым соотношениям, однако строгой гравитационной «сцепки» уже нет. Это указывает на то, что раньше TOI-2076 была более компактной и, вероятно, находилась в устойчивой резонансной конфигурации, а теперь постоянно теряет свою первоначальную «стройность».

Главным механизмом наблюдаемых изменений оказалось фотоиспарение — процесс разрушения атмосферы планеты или газового облака под высокоэнергетическим излучением светила (как правило, ультрафиолетовым или рентгеновским), в результате которого нагретый газ разгоняется и покидает гравитационное поле планеты. Именно этот процесс зачастую превращает мини–нептуны в суперземли. 

Наблюдения также показали, что у всех четырех миров схожие по массе каменные ядра, а вот газовые оболочки по толщине разные. Ближайшая к звезде планета — TOI-2076 b — практически полностью лишилась первичной атмосферы, тогда как ее более удаленные собратья сохранили примерно от одного до пяти процентов массы в виде водородно-гелиевого газа. Эта доля закономерно увеличивается по мере снижения излучения — именно такой сценарий и предсказывают модели фотоиспарения.

Чтобы проверить, действительно ли излучение светила может объяснить наблюдаемую картину, соавтор исследования Говард Чен (Howard Chen) из Флоридского технологического института, применил численные модели эволюции планет. В этих сценариях несколько изначально похожих по составу миров развивались под действием разного уровня излучения.

Результаты научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy,
показали, что ближайшие к звезде планеты стремительно теряли газ, становясь плотнее и легче, что меняло их гравитационное взаимодействие с соседями. По итогу орбиты постепенно расходились, а прежняя резонансная конфигурация разрушалась.

Основная потеря атмосфер, по расчетам, происходит в первые 100 миллионов лет жизни системы. Затем темпы резко снижаются, а архитектура в целом «замораживается» на миллиарды лет. Выходит, именно короткий подростковый период TOI-2076 решает, станут ли миры мини-нептунами с тонкой газовой оболочкой или оголенными суперземлями. 

Таким образом, астрономы впервые получили наглядное подтверждение того, что динамическая перестройка и атмосферная эволюция компактных планетных систем начинаются вскоре после их рождения. Понимание того, как молодые миры теряют атмосферу и выходят из резонансных цепочек, позволяет точнее реконструировать прошлое зрелых систем и предсказывать будущее недавно открытых экзопланет.

Любовь С.

445 статей

Автор освещает темы из разных областей науки, включая астрономию, палеонтологию и генетику. Пишет о научных открытиях, природных явлениях и эволюционных процессах.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram