На представленной иллюстрации отражено художественное видение системы AU Mic b. Астрономы недавно зафиксировали процесс интенсивного срыва атмосферы одной из планет молодой звездой. Данная экзопланета, получившая название AU Microscopii b (или AU Mic b), обращается вокруг красного карлика, находящегося на расстоянии 32 световых лет от Земли. Возраст системы составляет всего 23 миллиона лет, что позволяет ученым изучать динамику развития планет на ранних стадиях формирования. Результаты данного исследования были опубликованы в научном издании The Astronomical Journal. Примечательной особенностью этой планенеты размером с Нептун является прерывистый характер выброса атмосферы: процесс происходит циклически, включаясь и выключаясь в течение одного орбитального оборота вокруг звезды.

Ранний рисунок художника, изобразившего AU Mic b

А когда процесс становится виден, то атмосфера утекает с поверхности планеты в сторону звезды, а не тянется за ней хвостом, как обычно.

«Когда я впервые увидел это, то подумал: “Этого не может быть”, – говорит астроном Кигли Рокклифф из Дартмутского колледжа, возглавлявший исследование. – Это откровенно странное наблюдение стало своего рода стресс-тестом для моделирования и физики планетарной эволюции. Это наблюдение такое интересное, потому что мы получаем возможность исследовать одно из самых экстремальных взаимодействий между звездой и планетой».

AU Mic b была открыта в 2020 году, и уже тогда учёные поняли, что она должна быть интересной. Она немного больше Нептуна: её масса составляет 20,12 массы Земли и 4,19 радиуса Земли; масса Нептуна – 17,15 массы Земли и 3,88 радиуса Земли. Однако, в отличие от Нептуна, AU Mic b находится очень близко к своей звезде: она совершает один оборот по орбите всего за 8,5 суток.

Такая близость позволяет экзопланете наблюдать за воинственным поведением звезды в первом ряду, а оно, как известно, бывает бурным. Молодые звёзды гораздо более активны, чем старые, и даже старые красные карлики довольно активны.

AU Mic бушует, выбрасывая более 6 вспышек в день. Это постоянный натиск дикого звёздного ветра, вспышек и жёсткого рентгеновского излучения.

Рокклифф и её команда хотели повнимательнее присмотреться к этой экзопланете, поскольку она может помочь объяснить любопытный пробел в обнаружении экзопланет – в него укладываются миры радиусом от 1,5 до 2 раз больше радиуса Земли, расположенные в непосредственной близости от своих звёзд.

AU Mic b находится на большей стороне этого пробела, но если она активно теряет свою атмосферу и, следовательно, уменьшается в размерах, то это может пролить свет на механизмы, вызывающие этот пробел. Молодые миры, подвергающиеся воздействию бушующих звёзд, могут терять свою атмосферу и сжиматься. Более крупные миры могут обладать достаточной гравитацией для сохранения плотной атмосферы, а более мелкие превращаются в голые камни.

Изображение испаряющейся экзопланеты.

«Мы хотим выяснить, какие типы планет могут выжить в таких условиях, – поясняет Рокклифф. – Как они будут выглядеть, когда звезда успокоится? … Мы не знаем, как выглядят эти устоявшиеся системы, потому что в нашей Солнечной системе нет ничего подобного».

Что именно происходит с AU Mic b, пока неясно, но что бы это ни было, процесс идёт активно. Похоже, что все механизмы разрушения атмосферы происходят одновременно, а значит, это прекрасная естественная лаборатория для изучения подобных экзопланет.

Для любознательных

На самом деле «срывание» атмосферы — это не какой-то один универсальный взрыв, а целый набор физических процессов. Мы подобрали для вам основные механизмы, которые астрофизики изучают на примере экзопланет. Часто они работают в связке, и от баланса сил зависит, сохранит ли планета воздух или постепенно его растеряет.

Какие механизмы бывают

• Термическая утечка (Thermal escape). Здесь всё про энергию частиц. В верхних слоях атмосферы (экзосфере) молекулы движутся с разной скоростью из-за тепла. Те, что в «хвосте» распределения Максвелла, могут разогнаться до скорости убегания планеты и улететь в космос. Это утечка Джинса. Она особенно эффективна для лёгких газов — водорода и гелия. Чем меньше масса планеты (и ниже скорость убегания), тем проще частицам улететь.
• Гидродинамическая утечка (Hydrodynamic escape). Это более масштабный процесс. Если верхняя атмосфера сильно нагревается (например, жёстким УФ- или рентгеновским излучением молодой, активной звезды), она расширяется как единое целое. Возникает мощный поток газа, который буквально «сдувает» значительные слои атмосферы. Такой сценарий часто встречается у планет, которые находятся очень близко к своей звезде. Иногда в дело вмешиваются и приливные силы звезды — они тоже могут подталкивать атмосферу к утечке.
• Нетепловые процессы (Non-thermal escape). Здесь энергия для улетучивания частиц идёт не от тепла, а от других взаимодействий.
  • Ионный захват (Ion pickup). Звёздный ветер (поток заряженных частиц от звезды) ионизирует атомы в верхних слоях атмосферы. Затем магнитное поле ветра или магнитосферы планеты подхватывает эти ионы и уносит прочь.
  • Спуртинг (Sputtering). Частицы звёздного ветра или другие заряженные частицы сталкиваются с атомами атмосферы, передавая им импульс и «выбивая» их из гравитационного поля.
  • Обмен зарядами (Charge exchange). Быстрый ион из звёздного ветра может захватить электрон у нейтральной частицы атмосферы. В результате получается быстрая нейтральная частица (которая улетает) и медленный ион (который может задержаться).
  • Фотохимические процессы. Жёсткое излучение расщепляет молекулы (фотодиссоциация), а продукты этих реакций иногда получают достаточно энергии, чтобы покинуть атмосферу.
• Ударная эрозия. Столкновение с крупным метеороидом тоже может локально нагреть и ускорить часть атмосферы, способствуя её потере.
• Потеря за счёт внутренней энергии планеты. Иногда само по себе тепло из нетерий планеты (например, от радиоактивного распада) со временем может подпитывать расширение и утечку атмосферы.

Что влияет на скорость потери?

На то, насколько активно будет «срываться» атмосфера, влияет комплекс факторов:

• Масса и радиус планеты. Чем меньше масса и больше радиус (то есть чем слабее гравитация), тем легче частицам улететь.
• Состав атмосферы. Лёгкие газы (H, He) улетучиваются гораздо охотнее, чем тяжёлые (азот, кислород, CO₂).
• Расстояние до звезды. Близкие планеты получают больше высокоэнергетического излучения, что усиливает нагрев и утечку.
• Активность звезды. Молодые или магнитно-активные звёзды испускают больше УФ-, рентгеновского излучения и мощных вспышек, что резко ускоряет нетепловые процессы.
• Наличие и сила магнитного поля. Магнитосфера может защищать планету, отклоняя часть звёздного ветра. Но есть нюанс: в некоторых случаях магнитное поле может, наоборот, захватывать ионизированные частицы и способствовать их утечке через полярные области (полярный ветер).

Примеры из наблюдений

Астрономы действительно видят такие процессы в действии. Например:

• У экзопланеты WASP-69 b обнаружили газовый «хвост», похожий на кометный — газ утекает под воздействием звёздного ветра.
• В системе TOI-2076 наблюдения показали, что излучение звезды активно срывает атмосферы с некоторых планет, причём ближе к звезде потеря идёт интенсивнее.
• У AU Mic b процесс утечки атмосферы то активизируется, то затихает — это даёт учёным «естественную лабораторию» для изучения.
• Есть гипотезы, что на TRAPPIST-1e сильные ионосферные токи (возникшие из-за электромагнитной индукции в переменном магнитном поле звезды) нагревают атмосферу, заставляют её расширяться и улетучиваться.

Так что «срывание» — это обычно сложный танец разных сил: излучения, ветра, гравитации и даже внутренней энергии самой планеты. Учёные строят модели, чтобы понять, какой механизм доминирует в каждом конкретном случае.

Автор: Вячеслав Голованов @SLY_G
Источник: https://habr.com/