«Усыхающие» экзопланеты подтвердили гипотезу о превращении мини-нептунов в сверхземл

Наблюдения показали, что планеты — мини-нептуны могут терять атмосферу под действием излучения своих звезд, переходя в группу каменистых планет-сверхземель.

В Солнечной системе таких миров нет, но на пространстве всей Галактики немалую долю от общего числа планет составляют мини-нептуны. Это газовые карлики, похожие на наши Уран и Нептун, но намного меньше. Мини-нептуны окружены плотной примордиальной атмосферой из водорода и гелия и обычно находятся на приличном удалении от материнских звезд. Ближе к ним чаще встречаются более компактные планеты, сверхземли, такие же каменистые, как наша, но более массивные.

Граница между сверхземлями и мини-нептунами находится в районе полутора-двух земных радиусов. Однако массовые наблюдения экзопланет, которые провел космический телескоп Kepler, показали, что планет столь пограничных размеров совсем немного. Этот феномен называется «провалом Фултона» — в честь астронома Бенджамина Фултона (Benjamin Fulton), который обнаружил его около 10 лет назад.

После дополнительных исследований ученые связали дефицит планет радиусом 1,5-2,0 земного с потерей ими атмосфер. Скорее всего, такие миры слишком малы, чтобы удерживать свою первоначальную, примордиальную газовую оболочку, и она быстро улетучивается в космос, оставляя более компактную каменистую сверхземлю. Но что служит основным драйвером такой потери? Это может быть, например, тепло, исходящее из недр самой планеты, или же излучение звезды, особенно интенсивное на ранних этапах их существования.

Разобраться в этом вопросе помогла новая работа, проведенная Майклом Чжаном (Michael Zhang) и его коллегами из Калифорнийского технологического института (Caltech). Ученые рассказывают о ней в статье, которая готовится к публикации в The Astronomical Journal и пока доступна в библиотеке препринтов arXiv.

Астрономы провели спектроскопические наблюдения за четырьмя юными и не слишком далекими от нас мини-нептунами, вращающимися возле молодых звезд, оранжевых карликов. Это TOI 560b размерами в 2,8 радиуса Земли, TOI 1430.01 в 2,1 земного радиуса, TOI 1683.01 и TOI 2076b — в 2,3 и 2,5 радиуса соответственно. Работа показала, что все четыре планеты быстро теряют гелий из своих оболочек, причем скорость этого процесса слишком велика, чтобы объясняться влиянием их собственных недр. Следовательно, главный виновник — излучение материнской звезды.

При таком темпе атмосферы мини-нептунов полностью эродируют лишь за несколько сотен миллионов лет. «Мы заключаем, что большинство, если не все эти планеты, потеряют свои насыщенные водородом оболочки и превратятся в сверхземли, — пишут Чжан и его соавторы. — Эти результаты показывают, что большинство мини-нептунов, обращающихся вокруг звезд солнечного типа, первоначально имеют примордиальные атмосферы, но под действием излучения теряют их и переходят в сверхземли».