Астрономи вже досить давно виявили рідкісний тип планет, яких немає в нашій Сонячній системі. Вони не дуже великі і не дуже маленькі. Розмір їх радіусу знаходиться між радіусом Землі і радіусом Нептуна. Ближче до нижньої частини цього діапазону знаходяться щільні «суперземлі» які трохи більше Землі. Ближче до вершини діапазону знаходяться менш щільні і більш пухкі так звані «міні-Нептуни», які менше планети Нептун.
Астрономи вибудовують складну картину того, як з'являються ці види планет. Мабуть, міні-Нептуни починаються як менші і щільніші версії планети Нептун.
Але випромінювання від зірки-господаря планети нагріває їх воднево-гелієву атмосферу, яка потім йде в космос. Планета втрачає багато маси, поки не залишиться тільки щільне кам'янисте ядро, яке все ще більше Землі і може зберегти тонку оболонку атмосфери.
Астрономи, які використовують космічний телескоп Хаббл і обсерваторію Кека, виявили два різні випадки планет класу «міні-Нептун», які втрачають свою атмосферу і, можливо, перетворюються на суперземлі. Це ще одне свідчення різноманітності - якщо не непередбачуваності - того, як планети формуються і розвиваються навколо інших зірок.
Міні-Нептуни - це менші і щільніші версії планети Нептун в нашій Сонячній системі, і вважається, що вони складаються з великих кам'янистих ядер, оточених товстими і щільними шарами газу.
У нових дослідженнях група астрономів використовувала космічний телескоп Хаббл, щоб подивитися на два міні-Нептуна, що обертаються навколо HD 63433, зірки, розташованої в 73 світлових роках від нас. Крім того, вони використовували обсерваторію W.M. Keck на Гаваях для вивчення однієї з двох міні-планет Нептуна в зірковій системі під назвою TOI 560, розташованої в 103 світлових роках від Землі.
Їх результати показують, що атмосферний газ виходить з самого внутрішнього міні-Нептуна в TOI 560, званого TOI 560.01 (також відомого як HD 73583b), і з самого зовнішнього міні-Нептуна в HD 63433, званого HD 63433c. Це говорить про те, що вони можуть перетворюватися на суперземлі.
«Більшість астрономів підозрювали, що у молодих міні-Нептунів повинна бути випаровується атмосфера», - сказав Майкл Чжан, провідний автор обох досліджень і аспірант Каліфорнійського технологічного інституту. «Але досі ніхто ніколи не ловив їх у процесі перетворення».
Дослідження також несподівано виявило, що газ навколо TOI 560.01 йшов переважно до зірки.
«Це було несподівано, оскільки більшість моделей передбачають, що газ повинен витікати від зірки», - говорить професор планетарних наук Хізер Кнутсон з Каліфорнійського технологічного інституту і співавтор дослідження. «Нам ще багато що належить дізнатися про те, як ці відтоки працюють на практиці».
Нові підказки до відсутньої ланки у типах планет
Відтоді, як в середині 1990-х років були виявлені перші екзопланети, що обертаються навколо сонцеподібних зірок, були виявлені тисячі інших екзопланет.
Багато з них обертаються близько до своїх зірок, а менші скелясті зазвичай діляться на дві групи: міні-Нептуни і суперземлі.
Суперземлі зазвичай в 1,25-1,5 рази більше Землі, а міні-Нептуни в 2-4 рази більше Землі. Планети цих типів не зустрічаються в нашій Сонячній системі.
Астрономів давно цікавить таємничий розрив між суперземлями і міні-нептунами, який характеризується майже повною відсутністю планет, що мають розмір 1,5-2 радіусів Землі, хоча кілька таких планет вдалося виявити.
Одне з можливих пояснень такого розриву в розмірах полягає в тому, що міні-Нептуни трансформуються в суперземлі. Передбачається, що міні-Нептуни оточені первинними атмосферами, що складаються з водню і гелію.
Водень і гелій залишилися від утворення центральної зірки, яка народжується з газових хмар. Вчені припускають, що якщо міні-Нептун досить малий і знаходиться досить близько до своєї зірки, зіркове рентгенівське і ультрафіолетове випромінювання можуть позбавити його первинної атмосфери протягом декількох сотень мільйонів років.
Воно залишить після себе кам'янисту суперземлю значно меншого діаметра (яка теоретично може як і раніше зберігати відносно тонку атмосферу, подібну до тієї, що оточує нашу планету Земля).
На думку астрономів, інші сценарії можуть пояснити різницю в розмірах. Наприклад, менші кам'янисті планети могли взагалі ніколи не мати газових оболонок, а міні-Нептуни могли бути водними світами, а не бути вкритими газоподібним воднем. Це останнє відкриття двох міні-Нептунів з покидаючими їх атмосферами являє собою перший прямий доказ на підтримку теорії про те, що міні-Нептуни дійсно перетворюються на суперземлі.
Підписи в зоряному світлі
Астрономи змогли виявити вислизаючі атмосфери, спостерігаючи за тим, як міні-Нептуни перетинають або проходять повз своїх зірок-господарів.
Планети поки не можна побачити безпосередньо, але коли вони проходять перед своїми зірками, якщо дивитися з нашої точки зору на Землі, телескопи можуть шукати поглинання зоряного світла атомами в атмосферах планет. У випадку з міні-Нептуном TOI 560.01 дослідники виявили сліди гелію. Для зіркової системи HD 63433 команда виявила ознаки водню на найбільш віддаленій з вивчених ними планетах, названих HD 63433c, але не на внутрішній планеті, HD 63433b.
«Внутрішня планета, можливо, вже втратила свою атмосферу», - пояснили астрономи.
"Швидкість газів свідчить про те, що атмосфери відлетучуються. Гелій навколо TOI 560.01 рухається зі швидкістю 20 кілометрів на секунду, а водень навколо HD 63433c - зі швидкістю 50 кілометрів на секунду. Гравітація цих міні-Нептунів недостатньо сильна, щоб утримувати такий швидко рухомий газ. Ступінь відтоку навколо планет також вказує на втікання атмосфер; газовий кокон навколо TOI 560.01 як мінімум в 3,5 рази більше радіусу планети, а кокон навколо HD 63433c як мінімум в 12 разів більше радіусу планети ".
Спостереження також показали, що газ, втрачений з TOI 560.01, тече до зірки. Майбутні спостереження за іншими міні-Нептунами повинні показати, чи є TOI 560.01 аномалією або більш поширеним явищем є рухомий всередину атмосферний потік.
«Як дослідники екзопланет, ми навчилися очікувати несподіваного», - кажуть вчені. «Ці екзотичні світи постійно дивують нас новою фізикою, яка виходить за рамки того, що ми спостерігаємо в нашій Сонячній системі».
Результати опубліковані у двох (1, 2) окремих статтях у The Astronomical Journal.