Большую часть массы планет-гигантов, таких как Юпитер, составляют лёгкие элементы — водород и гелий, находящиеся, по большей части, в газообразной форме. В последние годы было обнаружено большое количество таких планет, некоторые из них находятся в 10–15 раз ближе к своим звёздам, чем Меркурий к Солнцу.
Эти планеты не зря называют «горячими юпитерами»: даже Меркурий, расположенный от Солнца в 60 миллионах километров, разогревается до +350 по Цельсию. Если же расстояние составляет меньше 10 миллионов километров, температура должна быть ещё выше. А значит, горячая атмосфера планеты быстро улетучивается в окружающее пространство.
Часть из них в самом деле испаряются, оставляя на орбите шлейф газа, следы такого испарения были замечены в спектрах соответствующих звёзд. Однако многие другие находятся не столь близко, но всё же значительно ближе Меркурия, и никаких признаков рассеянных по орбите газов найти пока не удалось. До сих пор астрофизикам было непонятно, каким образом эти планеты могут удерживать свою атмосферу.
Как показывает новое исследование, газовые гиганты оказались стабильнее, чем предполагалось ранее.
Астрономам известны пять основных методов обнаружения внесолнечных планет.
Во-первых, это метод прямых наблюдений - мы можем элементарно увидеть планету рядом с другой звездой, подобно тому, как видим планеты нашей звёздной системы. Впрочем, хотя сфотографировать гигантскую планету у другой звезды таким способом однажды удалось, обнаружена она была другим способом. Тем не менее, развитие телескопов позволяет надеяться, что скоро метод прямых наблюдений станет именно методом обнаружения.
Во-вторых, это доплеровский метод: измеряя смещение линий различных элементов в спектре звезды, астрономы могут заметить периодические изменения её скорости, связанные с обращением светила вокруг центра масс системы звезда-планета. Этот метод особо чувствителен к массивным планетам, расположенным рядом со своими светилами. При этом желательно видеть орбиту системы «с ребра» - в противном случае никаких изменений скорости не будет. Этим методом были открыты большинство внесолнечных планет. Его небольшая модификация - измерение моментов прихода импульсов от пульсаров - работает для этого типа небесных объектов.
Третий метод - астрометрический: астрономы измеряют смещение положения звезды, также вызванное её обращением вокруг общего с планетой центра масс. Выглядит такое смещение, как «виляние» звезды в стороны от средней траектории её перемещения по небу относительно более далёких звёзд. Этот метод также чувствителен к массивным спутникам звезды, однако расположенным, напротив, на относительно большом от неё расстоянии. Кроме того, он работает лишь для близких звёзд. Пока таким методом открывались лишь спутники-звёзды, планеты слишком маломассивны, чтобы вызвать заметное смещение.
Четвёртый метод, активно развивающийся в настоящее время - метод транзитов. Астрономы следят за блеском большого количества звёзд. Если плоскость орбиты планеты пересекает диск звезды, будут происходить регулярные «частные затмения» или прохождения планеты по диску звезды. Хотя заметить крохотный диск планеты на неразличимом в телескоп диске звезды нельзя, блеск звезды чуть ослабнет. Этот метод чувствителен к крупным спутникам, однако требует, чтобы мы смотрели на систему «с ребра»: в противном случае затмений не будет. Данным методом большинство внесолнечных планет открывается в настоящее время.
Пятый метод - гравитационное линзирование. Если звезда с планетой проходит перед какой-то далёкой звездой, блеск последней будет увеличиваться за счёт эффекта гравитационного линзирования. Наличие планеты чётко отметится на кривой блеска в виде дополнительного пика. Так были открыты несколько планет массой, близкой к массе Земли. Кроме того, возможны различные вариации этого метода - например, можно наоборот, искать планету у звезды-источника с помощью расположенной на луче зрения звезды-линзы. Недостаток этого метода - единичность каждого события. Поймав одно событие гравитационного линзирования, от данной звезды-линзы, следующего события нужно ждать очень долго.
Верхние слои атмосферы наиболее подвержены воздействию высокоэнергетического излучению звезд, лежащего в диапазонах ультрафиолетовых волн и рентгеновского излучения. Именно в этих слоях атомы газов могут разогреться и разогнаться настолько, что смогут преодолеть тяготение таких гигантских планет, как Юпитер, и отправиться в свободное путешествие по просторам Вселенной.
Однако атмосфера планет может вполне оставаться и относительно холодной, если газ умеет активно отдавать полученную от звезды энергию в окружающее пространство — например, в виде электромагнитного излучения.
Задачей британских специалистов было оценить баланс между процессами поглощения и испускания энергии верхними слоями атмосферы планет, близких по массе к Юпитеру и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Модель позволила выявить, что испарение атмосферы таких гигантов не происходит вплоть до приближения к звезде на расстояние, составляющие 40% дистанции между нашим дневным светилом и Меркурием.
Это расстояние примерно вдвое меньше ранее полученного в результате расчетов. Ну а к звёздам тусклее Солнца можно подойти и поближе.
Как оказалось, секрет такой устойчивости – ионы трёхатомного водорода, Н3+.
Этот положительный ион состоит из трех атомов водорода и не встречается в природе в условиях Земли. Как оказалось, он может очень эффективно излучать полученную энергию в виде инфракрасного (ИК) излучения и тем самым остужать верхние слои атмосферы.
электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны l = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (l ~ 1—2 мм). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (l от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5—50 мкм) и далёкую (50—2000 мкм).
Спектр инфракрасного излучения, так же как и спектр видимого и ультрафиолетового излучений, может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника. Возбуждённые атомы или ионы испускают линейчатые инфракрасные спектры. Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями.
Нагретые твёрдые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) — белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.
БСЭ
Тем не менее, эффективность испускания ИК-излучения ионами Н3+ может оказаться недостаточной для надлежащего охлаждения атмосферы горячих гигантов. При приближении к светилу на критическую дистанцию атмосфера планет раскаляется настолько, что молекулы — как экзотические ионы Н3+, так и обычные молекулы водорода Н2 — разваливаются на отдельные атомы. Такие частицы уже не могут эффективно излучать полученную тепловую энергию в виде волн ИК-спектра, так как не участвуют в формировании химических связей.
В результате температура верхних слоев атмосферы резко возрастает с 3 тысяч до 20 тысяч градусов.
При такой температуре атомы обладают уже достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силу тяготения родной планеты и улететь в космической пространство.
Однако, как показывает модель Коскинена, даже в этом случае процесс потери массы планетами идет с очень небольшой скоростью, так что небесные тела могут провести в процессе испарения многие миллиарды лет.
Команда Коскинена отмечает, что результаты их симуляции находятся в согласии с данными наблюдений за планетой HD 209458b, имеющей массу около 75% от массы Юпитера и вращающейся вокруг своей звезды на расстоянии 12% от радиуса орбиты Меркурия. По мнению Коскинена, несмотря на чрезвычайную близость этой планеты к звезде, процесс её испарения будет продолжаться еще не один миллиард лет. Такая же скорость испарения наблюдается и у других планет, находящихся на очень коротком расстоянии от своих светил. По его словам, эти планеты внешне выглядят очень стабильными, и причины, по которым они могут сохранять свою массу в течение длительного времени, до сих пор не были ясны.
Работа лондонских специалистов может прояснить и вопрос происхождения других горячих планет, которые часто называют «горячими супер-Землями».
Это также планеты-гиганты, обращающиеся вокруг своих звёзд на небольшом расстоянии от их поверхности, но с массой ближе скорее к массе Нептуна, чем Юпитера, — примерно в 10–20 масс Земли. У них может существовать твёрдая оболочка, и многие астрофизики полагали, что они могут быть «сухими остатками» испарившихся планет-гигантов.
У этих высказываний, впрочем, есть и много противников, считающих, что эти планеты изначально имели свои нынешние размеры. Работа Коскинена и его коллег порадует этих учёных: быстро испариться атмосферы «горячих юпитеров», видимо, не могли.
Пока не ясно, какое отношение новая модель имеет к судьбе Земли, которую также ожидает близкое знакомство с Солнцем — пусть и по инициативе самого светила, которому суждено раздуться в сотню раз, приблизив свои верхние слои к земной орбите. Спасёт ли нашу планету ион трёхатомного водорода — покажут будущие исследования.
