Астрономы, вероятно, оказались близки к разгадке одной из головоломок, связанной с массовым открытием планет у других звезд. Они давно заметили, что в «зоопарке» различных экзопланет недопредставлен редкий класс планет – так называемых «горячих нептунов», которые вращаются вокруг своих звезд на расстоянии не более нескольких миллионов километров – гораздо ближе, чем орбита Земли вокруг Солнца.
Среди обнаруженных планет, к примеру, много так называемых горячих юпитеров и суперземель (планет с диаметром не более 1,5 диаметров Земли). Однако горячих нептунов, температура атмосфер которых из-за близости к звездам должна достигать тысячи градусов Цельсия, обнаружить сложно.
В действительности, таких планет к этому времени найдено лишь несколько.
На деле, большинство известных планет, похожих на Нептун, умеренно теплые, поскольку расположены несколько дальше от звезд, чем там, где их ожидают находить. Труднообъяснимый недостаток горячих нептунов указывает астрономам на то, что или таких планет действительно мало, или, будучи в далеком прошлом распространенными, они по какой-то причине исчезли.
Несколько лет назад наблюдения космического телескопа Hubble показали, что один из самых горячих из известных нептунов постепенно теряет свою атмосферу. В этом случае речь не шла о скором истощении всей атмосферы, однако, как выясняется, другим подобным планетам может повезти куда меньше.
Недавние наблюдения все на том же телескопе показали, что другая планета, «очень горячий нептун» GJ 3470b теряет свою атмосферу примерно в сто раз быстрее. При этом обе звезды вращаются на расстоянии порядка шести миллионов километров от своих звезд, что в десять раз меньше орбиты вращения Меркурия вокруг Солнца в нашей Солнечной системе.
В своих наблюдениях астрономы использовали спектрограф, способный фиксировать в ультрафиолете линии водорода внутри огромного кокона, окружающего эту планету. Это позволило ученым оценить темпы истечения атмосферы и установить,
что за все время планета уже потеряла до 35% своей массы, теряя примерно 10 тыс. тонн водорода в секунду
«Я думаю, это первый пример, когда мы видим столь драматичную эволюцию планеты», — считает руководитель исследования Венсан Буррье из Университета Женевы. – Это один из самых экстремальных примеров планет, которые претерпевают значительную потерю массы за время ее жизни. Такая внушительная потеря массы имеет значительные последствия для ее эволюции, и помогает нам понять происхождение и судьбу экзопланет, близко расположенных к своим звездам».
Как и у всех аналогичных планет, теряющих атмосферу, происходит это по следующей причине. Близко расположенная звезда разогревает атмосферу, молекулы которой приобретают скорость, достаточную для преодоления гравитации планеты, и они улетают в космическое пространство. Эти молекулы формируют гигантское облако вокруг планеты, которое растворяется в космосе. Одна из причин, по которой GJ 3470b может испаряться быстрее, чем GJ 436b, это более низкая плотность. Из-за нее гравитация не в состоянии удержать сильно перегретую атмосферу у планеты.
Более того, выяснилось, что звезда, вокруг которой вращается планета GJ 3470b, имеет возраст всего 2 млрд лет, против 4-8 млрд лет возраста звезды-хозяйки планеты GJ 436b. Более молодая звезда выделяет больше энергии, потому планета рядом с ней подвергается более интенсивному воздействию излучения. Обе звезды относятся к классу так называемых красных карликов, которые меньше Солнца и имеют более долгую продолжительность жизни.
Обнаружение двух испаряющихся горячих нептунов убеждает ученых в том, что они представляют собой переходный класс экзопланет, которые в конце концов неминуемо превращаются в более распространенный класс мининептунов – планет с твердой оболочкой, но имеющих плотную атмосферу с преобладанием водорода, которые крупнее Земли, но меньше Нептуна.
В итоге такие планеты могут уменьшаться в размерах еще сильнее, превращаясь в суперземли – более массивные твердые аналоги Земли.
«Вопрос был в том, куда делись горячие нептуны? – поясняет Буррье. – На графике зависимости размера планет от расстояния до звезд мы видим пробел, дыру в распределении. Это было загадкой. Мы не знаем в действительности, насколько испарение атмосферы играет роль в этом эффекте. Но наши наблюдения с Hubble, которые показывают интенсивную потерю массы с горячего нептуна, это прямое подтверждение того, что убегание атмосферы является значимым фактором в формировании этого пробела».
Работа ученых опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.