Размеры экзопланет варьируются от небольших каменистых земных планет до газовых гигантов. В середине находятся каменистые суперземли, диаметр которых в 1,6 раза больше диаметра нашей планеты, и суб-нептуны, которые примерно в 2-4 раза больше. Но есть одно удивительное отсутствие: планеты размером от 1,6 до 2 раз больше Земли, т.е. между суперземлями и суб-нептунами.
Это открытие, на которое обратил внимание Джесси Кристиансен из Калифорнийского технологического института, возглавлявший исследовательскую группу, позволяет предположить, что такое различие в размерах некоторых суб-нептуновых планет может объясняться потерей их атмосферы с течением времени. Не обладая достаточной массой, а значит, и силой гравитации, они не сохраняют свою атмосферу. В этом случае они уменьшаются примерно до размеров суперземель, оставляя зазор между двумя размерами планет.
Но как именно эти планеты теряют свою атмосферу, остается загадкой. В своей работе, опубликованной в журнале , Кристиансен и его коллеги определили два возможных механизма: потеря массы в центре ядра и фотоиспарение.
Потеря массы, сосредоточенная на ядре
Гипотеза «потеря массы, сосредоточенная в ядре» в настоящее время является основным объяснением уменьшения размеров некоторых экзопланет. Интенсивное излучение, испускаемое горячим внутренним ядром планеты, постепенно оттесняет ее атмосферу, что приводит к уменьшению ее общего размера. Этот процесс рассматривается как некая внутренняя сила, которая выталкивает атмосферу наружу, уменьшая ее массу.
Эта гипотеза была подкреплена наблюдениями, проведенными в ходе миссии НАСА K2, которая является продолжением миссии космического телескопа «Кеплер». В рамках миссии K2 изучались звездные скопления Ясли и Гиады, возраст которых составляет 600-800 млн лет, что считается относительно молодым периодом в жизни звезды и ее планет. Полученные данные показали, что планеты, расположенные в таких молодых звездных скоплениях, как правило, сохраняют свою атмосферу. Поэтому потеря массы, сосредоточенной в ядре, происходит в более длительные сроки.
Фотоиспарение — альтернативная гипотеза
Фотоиспарение — еще одна гипотеза, рассматриваемая для объяснения уменьшения размеров экзопланет. Она основана на воздействии звездного излучения на атмосферу планеты: интенсивное излучение звезды-хозяина планеты может оказать достаточно мощное воздействие, чтобы разрушить или даже полностью уничтожить атмосферу планеты. Этот процесс будет особенно интенсивным для планет, расположенных вблизи своей звезды, где воздействие излучения наиболее сильно.
Однако фотоиспарение имеет определенные временные ограничения, которые делают его менее вероятным в качестве общего объяснения наблюдаемого уменьшения размеров. Согласно этой гипотезе, потеря атмосферы в результате фотоиспарения происходит в основном в течение первых 100 млн. лет жизни планеты. В этот период звезда-хозяин очень активна, испускает высокие уровни ультрафиолетового излучения и звездного ветра, которые являются основными факторами фотоиспарения.
В отличие от этого, потеря массы в ядре, конкурирующая гипотеза, о которой говорилось выше, рассматривается как процесс, происходящий гораздо позже жизни планеты, возможно, спустя около миллиарда лет после ее образования. Так что же лучше?
Неизменные тайны потери массы планет
Для оценки возможностей этих двух гипотез очень важны данные исследования Кристиансена. Если команда наблюдала большое количество суб-нептунов в Ясли и Гиадах (по сравнению с более старыми звездами в других скоплениях), то это свидетельствовало бы об отсутствии фотоиспарения. В этом случае наиболее правдоподобным объяснением уменьшения размеров суб-нептунов со временем будет потеря массы, сосредоточенная в ядре.
В ходе наблюдений ученые обнаружили, что почти у всех звезд в этих скоплениях на орбите по-прежнему находится суб-нептунианская планета или планета-кандидат. В зависимости от размера этих планет ученые предполагают, что они сохранили свою атмосферу.
Такая ситуация контрастирует с другими более старыми звездами, изученными в рамках проекта K2 (возрастом более 800 млн. лет), где только 25% из них имеют на орбите суб-нептуновые планеты. Более древний возраст этих звезд соответствует периоду, когда, как предполагается, происходит потеря массы ядром.
На основании этих наблюдений команда в пресс-релизе объясняет, что фотоиспарение не является фактором, соответствующим Ясли и Гиадам. Если бы это было так, то это произошло бы на сотни миллионов лет раньше, и эти планеты потеряли бы большую часть, если не всю, своей атмосферы. Таким образом, наиболее вероятным объяснением эволюции атмосфер этих планет остается потеря массы в центре ядра.
Команда Кристиансена потратила более пяти лет на составление каталога, необходимого для данного исследования. Однако по словам Кристиансена, исследование еще далеко от завершения, и современное понимание фотоиспарения и потери массы за счет ядра может еще развиваться. Вероятно, эти результаты будут поставлены под сомнение будущими исследованиями, прежде чем мы сможем сказать, что загадка планетарной дыры окончательно решена.