Puszyste planety tracą atmosfery, stając się superziemiami

Astronomowie zidentyfikowali dwa różne przypadki planet typu „mini-Neptun”, które tracą swoje puszyste atmosfery i prawdopodobnie przekształcają się w superziemie. Promieniowanie pochodzące od gwiazd macierzystych tych planet pozbawia je atmosfer, powodując ucieczkę gorącego gazu.

Wyniki badań, opublikowane w dwóch oddzielnych artykułach w The Astronomical Journal, pomagają astronomom stworzyć obraz tego, jak egzotyczne światy, takie jak te, formują się i ewoluują.

Mini-Neptuny należą do klasy egzoplanet, czyli planet krążących poza naszym Układem Słonecznym. Te światy, które są mniejszymi, gęstszymi wersjami planety Neptun, składają się z dużych skalistych rdzeni otoczonych grubymi warstwami gazu. W nowych badaniach, zespół astronomów kierowany przez Caltech, wykorzystał Obserwatorium Kecka na Maunakea na Hawajach do zbadania jednego z dwóch mini-Neptunów w układzie gwiazd zwanym TOI 560, znajdującym się w odległości 103 lat świetlnych stąd; oraz wykorzystał Kosmiczny Teleskop Hubble’a do przyjrzenia się dwóm mini-Neptunom orbitującym wokół gwiazdy HD 63433, znajdującej się 73 lata świetlne od nas.

Ich wyniki pokazują, że gaz atmosferyczny ucieka z najbardziej wewnętrznego mini-Neptuna w TOI 560, zwanego TOI 560.01, oraz z najbardziej zewnętrznego mini-Neptuna w HD 63433, zwanego HD 63433 c. To sugeruje, że mogą one przekształcić się w superziemie.

Większość astronomów podejrzewa, że młode, małe mini-Neptuny muszą mieć wyparowujące atmosfery, mówi Michael Zhang, główny autor obu badań. Ale nikt do tej pory nie przyłapał żadnej w trakcie tego procesu, aż do teraz.

Badania wykazały również, co zaskakujące, że gaz wokół TOI 560.01 uciekł głównie w kierunku gwiazdy.

To było nieoczekiwane, ponieważ większość modeli przewiduje, że gaz powinien odpływać od gwiazdy – mówi prof. nauk planetarnych Heather Knutson, współautorka badań. Musimy się jeszcze wiele nauczyć o tym, jak te wypływy działają w praktyce.

Wyjaśnienie planetarnej luki
Od czasu odkrycia pierwszych egzoplanet krążących wokół gwiazd podobnych do Słońca w połowie lat 90-tych, znaleziono tysiące innych. Wiele z nich krąży w pobliżu swoich gwiazd, a te mniejsze, skaliste, dzielą się na dwie grupy: mini-Neptuny i superziemie. Planety tego typu nie występują w naszym Układzie Słonecznym. Superziemia ma rozmiar 1,6 raza większy od Ziemi (a czasem nawet 1,75), podczas gdy mini-Neptuny mają rozmiar od dwóch do czterech razy większy od Ziemi. Niewiele planet o rozmiarach pomiędzy tymi dwoma typami planet zostało wykrytych.

Jednym z możliwych wyjaśnień tej luki jest to, że mini-Neptuny przekształcają się w superziemie. Uważa się, że mini-Neptuny są otoczone pierwotnymi atmosferami złożonymi z wodoru i helu. Wodór i hel są pozostałościami po uformowaniu się gwiazdy centralnej, która narodziła się z obłoków gazu. Naukowcy teoretyzują, że jeżeli mini-Neptun jest wystarczająco mały i znajduje się wystarczająco blisko swojej gwiazdy, jej promieniowanie rentgenowskie i UV może pozbawić planetę pierwotnej atmosfery w ciągu setek milionów lat. W ten sposób powstałaby skalista superziemia o znacznie mniejszym promieniu, która teoretycznie nadal mogłaby zachować stosunkowo cienką atmosferę, podobną do tej, jaka otacza naszą planetę.

Planeta w luce miałaby wystarczająco dużo atmosfery, aby nadymać swój promień, dzięki czemu przechwytywałaby więcej promieniowania gwiezdnego, a tym samym umożliwiała szybką utratę masy – mówi Zhang. Ale atmosfera jest na tyle cienka, że szybko się ją traci. To dlatego planeta nie pozostałaby w szczelinie na długo.

Według astronomów, inne scenariusze mogą wyjaśnić tę lukę. Na przykład, mniejsze planety skaliste mogły nigdy nie zgromadzić gazowych otoczek, a mini-Neptuny mogą być światami wodnymi i nie być otoczone wodorem. Najnowsze odkrycie dwóch mini-Neptunów z uciekającymi atmosferami stanowi pierwszy bezpośredni dowód na poparcie teorii, że mini-Neptuny rzeczywiście przekształcają się w superziemie.

Podpisy w świetle słońca
Astronomowie byli w stanie wykryć uciekające atmosfery, obserwując jak mini-Neptuny przechodzą przed tarczą swojej gwiazdy macierzystej. Planety nie mogą być obserwowane bezpośrednio, ale kiedy przechodzą przed swoimi gwiazdami, gdy obserwujemy je z Ziemi, teleskopy mogą szukać absorpcji światła gwiazdy przez atomy w atmosferach planet. W przypadku mini-Neptuna TOI 560.01, badacze znaleźli ślady helu. W przypadku układu HD 63433, zespół znalazł ślady wodoru w najbardziej zewnętrznej planecie, którą badali, HD 63433 c, ale nie w HD 63433 b.

Planeta wewnętrzna mogła już stracić swoją atmosferę – wyjaśnia Zhang.

Prędkość gazów dostarczyła dowodów na to, że atmosfery uciekają. Zaobserwowany hel wokół TOI 560.01 porusza się z prędkością 20 km/s, podczas gdy wodór wokół HD 63433 c porusza się z prędkością 50 km/s. Grawitacja tych mini-Neptunów nie jest wystarczająco silna, aby utrzymać tak szybko poruszający się gaz. Rozmiary wypływów wokół planet również wskazują na uciekające atmosfery: kokon gazu wokół TOI 560.01 jest co najmniej 3,5 razy większy niż promień planety, a kokon wokół HD 63433 c jest co najmniej 12 razy większy od promienia planety.

Obserwacje dodatkowo ujawniły, że gaz tracony przez TOI 560.01 płynął w kierunku gwiazdy. Przyszłe obserwacje innych mini-Neptunów powinny ujawnić, czy TOI 560.01 jest anomalią, czy też wypływ atmosfery do wewnątrz jest bardziej powszechny.

Jako naukowcy zajmujący się egzoplanetami, nauczyliśmy się oczekiwać nieoczekiwanego – mówi Knutson. Te egzotyczne światy ciągle zaskakują nas nową fizyką, która wykracza poza to, co obserwujemy w naszym Układzie Słonecznym.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Caltech

Vega

Na ilustracji: Ilustracja mini-Neptuna TOI 560.01. Źródło: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.