Расположенная в 163 световых годах от Земли экзопланета размером с Юпитер под названием WASP-69b предлагает астрофизикам возможность заглянуть в динамические процессы, которые формируют планеты по всей галактике. Звезда, вокруг которой она вращается, сжигает и сдирает с планеты атмосферу, и эта сбежавшая атмосфера превращается звездой в огромный кометоподобный хвост длиной не менее 350 000 миль. Я астрофизик. Моя исследовательская группа опубликовала статью в Astrophysical Journal, в которой описывается, как и почему сформировался хвост WASP-69b и что его формирование может рассказать о других типах планет, которые астрономы обычно обнаруживают за пределами нашей Солнечной системы. 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 более 5600 экзопланет в нашей галактике Млечный Путь.
Нелегко обнаружить планету, находящуюся на расстоянии нескольких световых лет. Планеты бледнеют по сравнению со звездами, вокруг которых они вращаются, как по размеру, так и по яркости. Но, несмотря на эти ограничения, исследователи экзопланет обнаружили удивительное разнообразие — от маленьких скалистых миров, едва превышающих размерами нашу собственную Луну, до газовых гигантов, настолько колоссальных, что их окрестили "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. Эти чрезвычайно распространенные планеты, как правило, попадают в одну из двух различных групп: суперземли и субнептуны. Радиус Суперземель на 50% превышает радиус Земли, в то время как радиус субнептуновых объектов обычно в два-четыре раза превышает радиус Земли. Между этими двумя диапазонами радиусов есть промежуток, известный как "Разрыв радиуса", в котором исследователи редко находят планеты.
Планеты размером с Нептун, которые совершают полный оборот вокруг своей звезды менее чем за четыре дня, чрезвычайно редки. Исследователи называют этот промежуток "Горячей пустыней Нептуна". Должно быть, какие—то глубинные астрофизические процессы препятствуют образованию этих планет или их выживанию. При формировании 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 количества газа в атмосфере. Но по мере взросления звезда начинает излучать большое количество энергии в виде ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Это звездное излучение может испепелять атмосферу, накопленную планетами, в процессе, называемом фотоиспарением. Однако некоторые планеты сопротивляются этому процессу. Более массивные планеты обладают более сильной гравитацией, что помогает им сохранять свою первоначальную атмосферу. Кроме того, планеты, расположенные дальше от своей звезды, подвергаются меньшему воздействию радиации, поэтому их атмосферы разрушаются меньше.
Таким образом, возможно, значительная часть суперземель на самом деле представляет собой скалистые ядра планет, у которых полностью отсутствовала атмосфера, в то время как субнептуны были достаточно массивными, чтобы сохранить свою плотную 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, субнептуновая планета, обращающаяся вокруг своей звезды за четыре дня или меньше, быстро потеряет всю свою атмосферу. При наблюдении оказывается, что атмосфера уже утрачена, и остается голое каменистое ядро — суперземля. Чтобы проверить эту теорию, исследовательские группы, подобные моей, собирают данные наблюдений. Войдите в WASP-69b, уникальную лабораторию по изучению фотоиспаривания. Название "WASP-69b" происходит от того, как она была обнаружена. Это была 69-я звезда с планетой b, обнаруженная в ходе широкоугольного поиска планет.
Несмотря на то, что WASP-69b на 10% больше Юпитера по радиусу, на самом деле она ближе к массе гораздо более легкого Сатурна — она не очень плотная и имеет лишь около 30% массы Юпитера. На самом деле, плотность этой планеты примерно такая же, как у куска пробки. Такая низкая плотность обусловлена тем, что планета обращается вокруг своей звезды на очень близком расстоянии - 3,8 суток. Находясь так близко, планета получает огромное количество энергии, которая заставляет ее нагреваться. При нагревании газа она расширяется. Как только газ достаточно расширяется, он начинает выходить за пределы притяжения планеты. Когда мы наблюдали за этой планетой, я и мои коллеги обнаружили, что газообразный гелий быстро выходит из WASP-69b — около 200 000 метрических тонн в секунду. Это означает, что масса Земли теряется каждые миллиард лет. За время существования звезды эта планета в конечном итоге потеряет общую массу атмосферы, эквивалентную почти в 15 раз массе Земли. Это звучит слишком много, но масса WASP-69b примерно в 90 раз превышает массу Земли, поэтому даже при такой экстремальной скорости она потеряет лишь малую долю от общего количества газа, из которого состоит.
Пожалуй, самым поразительным является открытие удлиненного 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, которые представляют собой постоянный поток заряженных частиц, испускаемых звездами, образуют подобные хвосты. Эти потоки частиц врезаются в удаляющуюся атмосферу и формируют из нее кометоподобный хвост позади планеты. Наше исследование на самом деле является первым, которое позволяет предположить, что хвост WASP-69b был настолько обширным. Предыдущие наблюдения за этой системой показали, что у планеты был лишь небольшой хвост или даже вообще его не было. Это различие, вероятно, объясняется двумя основными факторами. Во-первых, каждая исследовательская группа использовала разные инструменты для проведения своих наблюдений, что могло привести к различным уровням обнаружения. Или же в системе могла быть реальная изменчивость.
У звезд, подобных нашему Солнцу, есть цикл магнитной активности, называемый "солнечным циклом". Период солнечной активности длится 11 лет. В годы максимальной активности на солнце наблюдается больше вспышек, солнечных пятен и изменений в солнечном ветре. Что еще больше усложняет ситуацию, каждый цикл уникален — нет двух одинаковых солнечных циклов. Ученые, изучающие солнечную активность, все еще пытаются лучше понять и спрогнозировать активность нашего солнца. У других звезд есть свои магнитные циклы, но у ученых пока недостаточно данных, чтобы понять их. Таким образом, изменчивость, наблюдаемая у WASP-69b, может быть вызвана тем, что каждый раз, когда ее наблюдают, звезда-хозяин ведет себя по-разному.
Астрономам придется продолжить наблюдения за этой планетой в будущем, чтобы лучше понять, что именно происходит. Наш непосредственный взгляд на потерю массы WASP-69b рассказывает исследователям экзопланет, таким как я, больше о том, как происходит планетарная эволюция. Это дает нам доказательства выхода атмосферы в реальном времени и подтверждает теорию о том, что горячие Нептуны и планеты с разницей в радиусе трудно обнаружить, потому что они недостаточно массивны, чтобы сохранить свою атмосферу. И как только они теряют ее, все, что остается наблюдать, - это каменистое ядро Суперземли. Исследование WASP-69b подчеркивает хрупкий баланс между составом планеты и ее звездным окружением, формирующий разнообразный планетарный ландшафт, который мы наблюдаем сегодня. По мере того, как астрономы продолжают исследовать эти отдаленные миры, каждое открытие приближает нас к пониманию сложной структуры нашей Вселенной.
