Близость со звездой до добра не доведет: раскрыта жуткая судьба испаряющихся планет
Две команды астрономов из Пенсильванского университета и Массачусетского технологического института независимо друг от друга объявили о новых открытиях, касающихся экстремального разрушения экзопланет. Состоящие из твердых горных пород планеты распадаются под воздействием сильного жара, исходящего от звезды, вокруг которой они обращаются.
Команда из Пенсильванского университета представила новые результаты измерений внутреннего состава испаряющейся планеты земного типа с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб (James Webb Space Telescope, сокращенно JWST), в то время как команда Массачусетского технологического института представила открытие ближайшей и наиболее быстро распадающейся планеты на сегодняшний день с помощью спутника Transiting Exoplanet Survey (TESS). Результаты исследований совместно опубликованы на сервере препринтов arXiv.
Обе космические обсерватории наблюдали за тысячами звезд в поисках крошечных периодических «провалов» света — так называемых транзитов — из-за обращения планет по орбитам, которые случайно оказались на одной прямой между наблюдателем и звездой-хозяйкой. Как правило, эти «провалы» носят регулярный характер и происходят каждые несколько недель или месяцев — всякий раз, когда планета проходит очередной оборот вокруг материнской звезды.
В редких случаях планеты обращаются вокруг своих звезд каждые несколько часов, потому что находятся очень близко к звездам. Это называется ультракороткопериодическими планетами (англ. ultra-short period planets или сокращенно USP).
Наблюдения Пенсильванского университета
Испаряющиеся планеты — чрезвычайно редкая подкатегория космических объектов класса USP. Они должны быть достаточно горячи, чтобы их вещество испарялось с поверхности, и достаточно малы, чтобы сила тяжести не возвращала частицы обратно. Материя покидает планету в результате динамичного хаотического процесса, который заставляет транзитный световой сигнал менять интенсивность при каждом обороте планеты. Не менее характерным является образование за такой горе-планетой пылевого хвоста, очень напоминающего хвост кометы.
«Эти планеты в буквальном смысле раскрывают перед нами свой «внутренний мир», и с помощью телескопа Джеймс Уэбб у нас наконец-то есть возможность изучить их состав и увидеть, из чего на самом деле состоят экзопланеты», — рассказывает Ник Тусей, аспирант Пенсильванского университета, работающий в Центре изучения экзопланет и обитаемых миров, ведущий автор одного из исследований.
«Любопытно, что изучение внутреннего состава планет Солнечной системы является даже более сложной задачей — у нас есть лишь ограниченные образцы мантии Земли и нет доступа к мантиям Меркурия, Венеры или Марса. Здесь же мы обнаружили планеты, находящиеся на расстоянии сотен световых лет, которые отправляют свои «внутренности» в космос и вдобавок организуют «подсветку», чтобы мы могли изучать с помощью наших спектрографов», — добавляет Джейсон Райт, профессор астрономии и астрофизики, соавтор исследования в Пенсильванском университете и научный руководитель Тусея. «Это замечательная, хотя в общем-то случайная возможность лучше понять внутреннее устройство планет земной группы».
Команда университета Пенсильвании направила спектрограф JWST на K2–22, звезду, обнаруженную космическим аппаратом Kepler в рамках его расширенной миссии K2, чтобы исследовать одну из таких испаряющихся планет, K2–22b. Эта планета совершает оборот вокруг звезды каждые 9,1 часа, а температура ее поверхности составляет 2100 К (+1827°C) — этого достаточно, чтобы не просто расплавить, но и испарить железо и горные породы в космическом вакууме.
«K2–22b имеет асимметричный профиль прохождения, поскольку перед звездой появляется пылевое облако выбросов планеты, что свидетельствует о наличии удлиненных пылевых хвостов, похожих на кометные», — поясняет Тусей. Команда Тусея сравнила спектр звезды до и после прохождения по орбите со спектром во время «парадного» положения планеты между звездой и наблюдателем.
«Мы не знали, чего ожидать», — признается Райт, который также был соавтором более раннего исследования, посвященного изучению экзопланетных хвостов с помощью JWST. «Некоторые коллеги полагали, что эти планеты уже растеряли все свои внешние материалы и представляют собой голое железное ядро».
«Мы надеялись, что у планеты еще сохранилась мантия или, возможно, даже испаряющиеся остатки коры. Спектрограф средней инфракрасной области MIRI на JWST был идеальным инструментом для проверки, поскольку материалы планетной коры, силикатной мантии и железного ядра по-разному пропускают свет».
«К сожалению, мы не смогли увидеть саму планету — ее хвост был очень плотным. Наш спектр оказался слабее чем мы ожидали, и его было труднее интерпретировать», — признается Тусей.
Тем не менее, характеристики спектра в целом подтвердили гипотезу о том, что остаточный материал представлен силикатами, которые входят в состав мантии. Команда также обнаружила неожиданные показатели на частотах 4,5 и 5,1 мкм.
Этого не было ни в одной из первоначальных гипотез. Такая длина волны ассоциируется с диоксидом углерода (CO2) и оксидом азота (NO) — двумя соединениями, которые обычно находят на ледяных небесных телах кометного типа. В оболочках планет земной группы углекислого газа и окиси азота нет. Откуда они появились на раскаленной добела K2–22b, пока загадка.
Команда надеется, что теперь, когда они установили достоверность этого метода, они смогут в дальнейшем использовать JWST для проверки этих особенностей с более высокой степенью достоверности.
Исследование МТИ
Исследования испаряющихся планет значительно продвинулись вперед благодаря усилиям команды Массачусетского технологического института (МТИ), которая объявила об открытии обреченной планеты, вращающейся вокруг звезды BD+05 4868 A.
«Эта планета имеет самые яркие пылевые хвосты на сегодняшний день», — рассказывает Марк Хон, научный сотрудник отдела МТИ, курирующий программу TESS, и руководитель исследования.
«Пылевые хвосты, исходящие от быстро испаряющейся планеты, огромны. Их длина составляет около 9 миллионов километров, и они составляют более половины оборота планеты вокруг звезды, который совершается за 30,5 часа».
О протяженности пылевых хвостов от BD+05 4868 Ab свидетельствует циклическое чередование интенсивности светового сигнала от звезды. В течение 15 часов после «парада» планеты сигнал слабеет примерно на 1%, а затем еще на 15 часов возвращается к обычной яркости.
Как и у K2–22b, у BD+05 4868 Ab на орбите вместо одного кометоподобного хвоста два — один ведущий, а другой замыкающий. Наличие двух характерных хвостов объясняется, вероятно, выбросом частиц пыли разного размера. Считается, что передний хвост содержит более крупные частицы пыли, сравнимые по размеру с песком пустыни, в то время как задний хвост в основном состоит из более мелких частиц, похожих на частицы сажи.
Основываясь на протяженности пылевых хвостов BD+05 4868 Ab, исследователи МТИ пришли к выводу, что планете, если ее масса сравнима с массой Луны, для полного распада потребуется от одного до двух миллионов лет, что по космическим меркам ничтожный срок.
«Планета испаряется с катастрофической скоростью, и нам невероятно повезло, что мы являемся свидетелями последних «часов» погибающего небесного тела», — с шутливой скорбью сказал Марк Хон.
«Что еще очень интересно в BD+05 4868 Ab, так это то, что у нее самая яркая звезда-хозяйка среди других распадающихся планет. Она примерно в 100 раз ярче, чем у K2–22, что делает ее эталонным объектом для будущих исследований», — сказал Ави Шпорер, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований при МТИ и соавтор проекта.
«До нашего исследования три другие известные распадающиеся планеты вращались вокруг слабых звезд, что затрудняло их изучение из-за недостаточной интенсивности сигнала», — добавил Шпорер.
Планы на будущее
Две команды совместно представили результат исследований и решили привлечь JWST к изучению BD+05 4868 A по аналогии с K2–22. «Качество данных, которое мы должны получить от BD+05 4868 A, будет превосходным», — уверен Ави Шпорер.
Планеты не только гибнут, но и рождаются в нечеловеческих условиях. Об этом недавно сообщили ученые.
