Астрономы застали два мини-нептуна за превращением в суперземли

Астрономы при помощи наземных и космических телескопов выявили два мини-нептуна, которые под действием излучения своих звезд активно теряют атмосферы, превращаясь в суперземли, также ученые оценили скорость потери массы. Результаты наблюдений должны помочь объяснить наблюдаемое распределение свойств двух популяций субнептунов и их происхождение. Статьи (1, 2) опубликованы в The Astronomical Journal.

Среди близких к Солнцу экзопланет преобладают объекты с радиусом от 1 до 4 радиусов Земли, называемые субнептунами. Небольшие субнептуны (1–1,7 радиуса Земли) могут обладать объемным составом, подобным Земле, и стали обозначаться как суперземли, в то время как более крупные субнептуны (2–3 радиуса Земли) стали мини-нептунами. Последние обладают низкой объемной плотностью, указывающей на присутствие богатых летучими веществами внешних оболочек. Обе этих популяции субнептунов создают в распределении экзопланет два пика, разделенных промежутком, где известно лишь несколько экзопланет.

Предполагается, что субнептуны изначально обладали богатыми водородом оболочками, которые затем были сорваны с наименее массивных и наиболее сильно подверженных мощному излучению со стороны своих звезд экзопланет такого типа. Механизмом удаления атмосферы может стать фотоиспарение или же молодые планеты могут терять атмосферу за счет собственной внутренней светимости. Однако возможно, что субнептуны не теряли атмосферу, а изначально не аккрециировали на свои ядра газ, если масса ядер была небольшой. Также возможно, что некоторые мини-нептуны обладают внешними оболочками, богатыми не водородом, а водой, что резко меняет темпы потери атмосферы.

Две группы ученых во главе с Майклом Чжаном (Michael Zhang) из Калифорнийского технологического института опубликовали результаты анализа данных наблюдений за тремя мини-нептунами при помощи наземной обсерватории Кека и космических телескопов «Хаббл», ROSAT и XMM-Newton. Целью ученых было пронаблюдать транзиты экзопланет по диску своей звезды и сравнить данные наблюдений с моделями, чтобы их проверить.

Первой целью наблюдений стала близкая к Солнцу (73 световых года), молодая (414 миллиона лет) солнцеподобная звезда HD 63433, входящая в движущуюся группу Большой Медведицы. Звезда демонстрирует исключительно высокую рентгеновскую светимость и обладает двумя мини-нептунами. Радиус HD 63433c оценивается в 2,67 радиуса Земли, а год на ней длится 20,5 дней. Радиус HD 63433b оценивается в 2,15 радиуса Земли, а год на ней длится 7,1 дня.

Ученые определили, что планеты сильно отличаются друг от друга. HD 63433c могла на текущий момент сохранить первичную атмосферу из водорода и гелия, а HD 63433b — уже нет. Скорость потери массы оценивается в 0,11 массы Земли за миллиард лет (в случае HD 63433c) и в 0,35 массы Земли за миллиард лет (в случае HD 63433b). Водород вблизи внешней планеты движется со скоростью 50 километров в секунду, а газовая оболочка вокруг нее в 12 раз больше радиуса экзопланеты. Что же касается внутренней планеты, то если она представляет собой каменное ядро, оно должно быть необычно массивным, однако экзопланета также может быть богатой водой и обладать атмосферой, состоящей из молекул с высокой массой. Установить это помогут будущие наблюдения при помощи «Хаббла» и «Джеймса Уэбба». 

Второй целью наблюдений стал молодая (600 миллионов лет) карликовая звезда HD 73583 спектрального класса К, находящаяся на расстоянии 103 световых года от Солнца. Вокруг него вращается два мини-нептуна. Наблюдения позволили астрономам установить, что внутренняя экзопланета TOI 560.01 (HD 73583b), обладающая радиусом 2,8 радиуса Земли и орбитальным периодом 6,4 дня, теряет атмосферу. Гелий вблизи нее движется со скоростью 20 километров в секунду, а газовая оболочка вокруг экзопланеты в 3,5 раза больше ее радиуса. HD 73583b теряет гелий со скоростью 0,22 массы Земли за миллиард лет и, как считают ученые, находится на критическом этапе своей эволюции, когда мини-нептуны превращаются в суперземли.

Ранее мы рассказывали о том, как TESS отыскал теплый нептун в двойной системе из красных карликов и распухший супернептун не вписался в теории формирования экзопланет.

Александр Войтюк