Пухлые гелиевые планеты могут объяснить загадку размера экзопланеты

Гелий может составлять почти половину массы атмосферы гигантских экзопланет, которые мигрировали близко к своей звезде, что объясняет загадочный разрыв в размерах этих миров. В настоящее время подтверждено более 5200 экзопланет, и многие из них представляют собой более крупные миры, которые вращаются близко к своей звезде, в некоторых случаях с периодом обращения всего несколько дней.

Тем не менее, транзитные наблюдения сначала с помощью космического телескопа НАСА «Кеплер», а теперь с помощью TESS, спутника для исследования транзитных экзопланет, обнаружили загадочную нехватку планет с радиусами в 1,4–2,4 раза больше, чем у Земли.

Астрономы называют это «долиной радиуса», и хотя это, кажется, говорит нам что-то фундаментальное о природе, формировании и эволюции планет, ученым еще предстоит выяснить, что это такое.

Теперь новый взгляд на долину радиуса от группы под руководством аспиранта Исаака Мальского из Мичиганского университета и Лесли Роджерс из Чикагского университета предполагает, что это может сигнализировать об увеличении содержания газообразного гелия в атмосфере миров в 2,4 раза больше. чем Земля. Миры такого масштаба часто называют мини-Нептунами, и если у них есть каменное ядро, то оно находится глубоко под толстой полосой атмосферы.

В начале своей жизни, еще формируясь внутри протопланетного диска из газа и пыли, планеты, образовавшиеся дальше от своей звезды, могут мигрировать внутрь. Чем ближе они приближаются к своей звезде, тем больше на них воздействует тепло и излучение звезды, смесь звездных ветров и вспышек, которые могут постепенно удалять атмосферу с планеты на линии огня. Когда это происходит, планета может отрастить кометоподобный хвост, поскольку газ удаляется, оставляя голое каменистое ядро.

Атмосфера таких миров состоит в основном из водорода и гелия. Юпитер в нашей Солнечной системе является хорошим примером этого атмосферного состава, состоящего из 90% водорода и 10% гелия. Однако водород легче гелия, и ему легче уйти в космос.

Команда Мальского и Роджера разработала компьютерную модель, имитирующую колоссальные 70 000 экзопланет разных размеров, вращающихся вокруг разных звезд и имеющих разную температуру, чтобы увидеть, какое влияние окажет тепло от ближайшей звезды на их атмосферу.

Они обнаружили, что водород действительно удалялся быстрее, чем гелий, в результате чего количество водорода уменьшалось по сравнению с количеством присутствующего гелия. В самых экстремальных условиях некоторые из планет, которые они смоделировали, имели атмосферу, состоящую более чем на 40% из гелия по массе.

Эти гелиевые миры будут занимать нижнюю часть более высокого диапазона размеров, примерно в 2,4 раза больше, чем Земля по радиусу — независимо от того, есть ли у них атмосфера, богатая водородом или гелием, тепло от их ближайшей звезды все равно будет вызывать раздувание и расширение атмосферы. , увеличивая радиус планеты.

Меньшие миры на другой стороне долины радиуса, с радиусом в 1,4 раза больше, чем у Земли или меньше, потеряли бы весь свой водород и гелий и не имели бы значительной атмосферы, ограничивая свой радиус только радиусом их скалистого ядра. Возможно, что, потеряв свою первичную атмосферу, эти планеты могли затем выделить новую, более тонкую атмосферу, подобную земной.

Но если они намного ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, то им придется сражаться за то, чтобы удержать эту новую атмосферу. «Существует так много странных и замечательных видов экзопланет, и это открытие не только добавляет новый вид, но и может иметь значение для понимания эволюции и формирования планет в целом», — сказал Роджерс в своем заявлении.

«Получение лучшего понимания этой популяции может многое рассказать нам о происхождении и эволюции планет размером с Нептун, которые явно являются общим результатом процесса формирования планет».

Эти новые результаты подтверждают более ранние исследования, в которых утверждается, что планеты не только теряют свою плотную первичную атмосферу по мере приближения к своей звезде, но и эта внутренняя миграция нескольких планет в системе может заключить миры в гравитационно-резонансные цепочки, как «горох в стручке».

Гелий, несмотря на то, что он является вторым по распространенности элементом во Вселенной, впервые был обнаружен на экзопланете только в 2018 году. Однако с запуском космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST) астрономы получили новый инструмент в своем наборе инструментов для обнаружение атмосферных газов на экзопланетах.

Если долина радиуса действительно является результатом того, что планеты блуждают слишком близко к своей звезде и их атмосфера разогревается в космос, то JWST может предоставить наблюдательные доказательства, проведя спектроскопию горячих планет с радиусом примерно в 2,4 раза больше, чем у Земли, чтобы определить обилие гелия в их атмосфере.