За допомогою космічного телескопа TESS астрономам вдалося відшукати дві короткоперіодичні кам'янисті планети, яким вдалося позбавитися своєї первинної атмосфери, але наростити нову з власного матеріалу. Обидві належать до класу надземель та мають надзвичайно короткий період обертання навколо своїх батьківських зір червоних карликів — менше доби. А завдяки тому, що вони транзитні, їх віднесли до «еталонів», за якими досліджуватимуть формування подібних планет та еволюцію їхньої атмосфери. Перші результати спостережень за ними дослідники опублікували у The Astronomical Journal.
Розміри TOI-1634 b і TOI-1 685 b порівняно із Землею / Astrobiology Center
Кого побачили вчені?
Планети з ультракоротким періодом найчастіше не перевищують двох земних радіусів за розміром і належать до класу екзопланет, яким достатньо менше доби для обертання навколо своєї батьківської зірки. Вперше ми їх почали спостерігати ще у кінці 2000-х років і на сьогодні вже зареєстровано понад 100 таких планет. Однак кількість добре охарактеризованих ультракороткоперіодичних планет з точно виміряними масами і радіусами невелика. Зокрема, повна характеристика у нас є тільки для двох планет навколо червоних карликів — LTT 3780 і GJ 1252. Але завдяки великій міжнародній команді дослідників з 29 науково-дослідних інститутів цей скромний список поповнився ще двома об'єктами — TOI-1634b і TOI-1685b, яких знайшли за даними телескопа TESS.
Обидва кандидати знаходяться у сузір'ї Персея і приблизно на однаковій відстані від Землі: TOI-1634b знаходиться в 114 світлових роках від нас, а TOI-1685b — в 122. Астрономи підтвердили, що ці об'єкти є скелястими надземлями на надкоротких орбітах, яким потрібно менше 24 годин, щоб здійснити подорож навколо своїх зірок. Їхні зорі мають однакові характеристики, а хімічний склад планет відповідає земному. У TOI-1634b радіусом в 1,7 земного і масою в десять земних, період обертання становить 0,9 дня, а у набагато меншої TOI-1685b масою 3,43 земних і радіусом в 1,4 земного — всього 0,6. TOI-1634b до речі виявилася наймасивнішою ультракороткоперіодичною планетою, що робить її еталонною для оцінки граничного розміру ядер таких скелястих планет, а також перевірки сценаріїв їхнього формування. Втім, ідеальними для перевірки гіпотез їх робить інша характеристика. Спостереження за допомогою інфрачервоного доплерівського спектрографа, встановленого на телескопі Субару показали, що планети «голі» — їм не вистачає первинної товстої воднево-гелієвої атмосфери. Так вчені вперше можуть спостерігати за вторинною — їхньою власною — яка складається з газів, що виходять з поверхні планети.
Чим вони цікаві?
Планети з ультракоротким періодом часто зустрічаються у багатопланетних системах, але статистичні дослідження показали, що вони так само рідкісні, як і гарячі юпітери, а частота їхньої появи імовірно залежить від типу зірки-хазяйки. Частота народження оцінюється в 1,1 відсотка для карликів М-типу (червоні карлики) і знижується до 0,15 відсотка для карликів F-типу (жовто-білі). Раніше вчені вважали, що такі ультракороткоперіодичні планети являють собою залишки кам'янистих або залізних ядер гарячих юпітерів, що втратили свої газові оболонки через близькість зі своїми світилами. Однак ця гіпотеза виявилася малоймовірною, оскільки розподіл металічних елементів у зірок з такими близькими надземлями відрізняється від зір-батьків гарячих юпітерів — останні зазвичай знаходяться біля багатих металами зірок.
Щоб пояснити існування планет з ультракоротким періодом, планетологи пропонують сценарії їхньої внутрішньої міграції, а не формування на місці. Це пов'язано з тим, що такі об'єкти знаходяться дуже близько до зірки, щоб сформуватися з її протопланетного диска — в цих областях вона просто повинна була б поглинути газ і пил, з яких народжуються планети. Щоб підтвердити або спростувати ці гіпотези, вченим необхідно порівняти передбачення окремих теоретичних моделей зі спостережуваними властивостями систем: залежність від типу батьківської зірки, а також періоду і співвідношення мас сусідніх планет.
Зоря TOI-1634 у даних TESS. Teruyuki Hirano et al. / The Astronomical Journal, 2021
Куди втекла атмосфера планет?
Товщину і хімічний склад атмосфери планет формує цілий комплекс процесів: акреція газу із зоряної туманності, збагачення атмосфери за рахунок руйнування планетезималей чи дегазація з раннього магматичного океану. Їхнє розуміння має вирішальне значення для інтерпретації спостережуваних характеристик планет. Моделювання показують, що виснаження і дегазація в основному залежать від маси планети. При більш високих масах (вище 2-3 земних) атмосферу утримати легше, оскільки збільшується градієнт тиску. А більша частина атмосфери втрачається у перші мільярди років, особливо на планетах, менших, ніж три Землі.
Оскільки TOI-1634 b і TOI-1 685 b знаходяться дуже близько до своїх зір, їхня первинна атмосфера піддається інтенсивному зоряному випромінюванню, високоенергетичним зарядженим частинкам зоряного вітру і викидам корональної маси. Тим більше планети з таким коротким періодом обертання знаходяться під загрозою приливних сил. Так навіть якби вони мали первинну атмосферу в розмірі 10-20 відсотків від своєї загальної маси, за такого наближення до зорі, її приливні сили миттєво знесли б оболонку через невелику масу ядра і високу рівноважну температуру. Навіть якщо врахувати великі розміри TOI-1634b, який завдяки масі міг би утримати таку потужну атмосферу, вона б не змогла у нього сформуватися через низьке співвідношення маси до радіуса.
Зоря TOI-1685 у даних TESS. Teruyuki Hirano et al. / The Astronomical Journal, 2021
Що з ними станеться далі?
Вчені змоделювали довгострокову еволюцію TOI-1634 b і TOI-1685 b під екстремальним ультрафіолетовим випромінюванням їхніх зірок. Так, на думку дослідників, планети втратили свої первинні атмосфери вже у перший мільярд років. І хоча точний вік батьківських зір планет точно не визначений, вони не демонструють ознак молодості, як-то швидке обертання і висока поверхнева активність. Однак планети можуть ще утримувати тонкий шар атмосфери, що складається з важких елементів, утворений, наприклад, завдяки постійній дегазації зсередини планети або дегазації акреційованого матеріалу, наприклад, від зіткнень з метеоритами. Обидві планети внесені у список цілей для майбутніх досліджень завдяки яскравості своїх батьківських зірок і будуть чекати запуску телескопа імені Джеймса Вебба, який, до слова, запланований вже на грудень.
TESS вже три роки активно шукає транзитні екзопланети поблизу найближчих та найяскравіших зір. Нещодавно телескоп завершив свою основну місію, але її продовжили до 2022 року. Nauka.ua багато писала про його відкриття, а зокрема і про надземлі. Так астрономам вдалося відшукати гарячу надземлю на відстані лише 26 світлових років від Сонця — вона також короткоперіодична і обертається за півтори доби. А у 120 світлових років від Землі TESS побачив разом надземлю та субнептун.