Ученые Института лазерной физики СО РАН разработали трехмерную модель верхней атмосферы KELT-9 b — самой горячей экзопланеты в нашей галактике, расположенной в звездной системе KELT-9. Эта система состоит из двух небесных тел: горячего белого карлика и красного карлика, вокруг которого вращается экзопланета, классифицируемая как горячий Юпитер. Благодаря проведенным исследованиям, сибирские ученые смогли выявить механизм взаимодействия этих двух космических объектов и построить модель, детализирующую характеристики верхней атмосферы планеты KELT-9 b. Результаты работы были опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.
Система KELT-9 расположена в созвездии Лебедя на расстоянии около 667 световых лет от Солнца. Планета KELT-9 b на данный момент считается самой горячей из известных экзопланет: средняя температура ее атмосферы составляет приблизительно 4000 °С, а максимальная достигает 10 000 °С. Первоначально ученые высказывали разные мнения о том, можно ли классифицировать KELT-9 b как планету, учитывая ее высокую температуру, однако установление отсутствия термоядерных реакций внутри нее позволило отнести этот космический объект к планетам. На одной стороне KELT-9 b постоянно день, на другой — ночь, что является обычной чертой для многих экзопланет, поскольку они, как правило, находятся на небольшом расстоянии от своих звезд. Из-за близости к звезде, KELT-9 b находится под воздействием приливного захвата — оба тела вращаются синхронно, подобно Земле и Луне, и, таким образом, экзопланета постоянно обращена к своему солнцу одной стороной.
«Самая близкая к Солнцу планета в нашей солнечной системе — Меркурий, и расстояние между ними составляет приблизительно половину астрономической единицы, которая равна дистанции между Землей и Солнцем. Большинство экзопланет, обнаруженных в Млечном Пути, располагаются еще ближе к своим звездам, чем Меркурий, и это расстояние может быть в несколько раз меньше. Дистанция между звездой KELT-9 и планетой KELT-9 b составляет около 0,03 астрономической единицы, что означает, что эта планета находится в тридцать раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу. Такие планеты представляют особый интерес для ученых, поскольку в нашей солнечной системе нет аналогов. Основная задача исследований — выяснить, каким образом могли образоваться подобные космические объекты. На данный момент существует две гипотезы. Согласно первой, планета формируется из газопылевого облака в процессе звездообразования, однако компьютерное моделирование показывает, что это невозможно, поскольку звезда, обладающая большей массой, притягивает к себе космическое вещество. Вторая гипотеза предполагает, что экзопланеты могут возникать в различных областях космоса и затем, под воздействием определенных условий, перемещаются ближе к своим звездам. В настоящее время этот вопрос остается без окончательного ответа, — пояснил младший научный сотрудник лаборатории энергетики мощных лазеров ИЛФ СО РАН Станислав Сергеевич Шарипов.
Поскольку KELT-9 b вращается на небольшом расстоянии от своей звезды, её атмосфера сильно расширена и раздута, превышая радиус планеты в три раза и простираясь на 300 тысяч километров. Такая особенность характерна для газовых гигантов, не имеющих твердой поверхности. Сибирские физики изучают экзопланеты, проводя наблюдения в различных спектральных диапазонах. Во время прохождения планеты по диску звезды в телескопы можно наблюдать, как ее атмосфера действует как световой фильтр, пропускающий лишь определенные излучения. Эти наблюдения позволяют приблизительно определить состав атмосферы и её радиус. Чтобы получить более точные сведения о составе атмосферы и концентрации молекул, ученые используют численное моделирование, которое позволило установить температуру и компонентный состав.
«KELT-9 b была исследована в различных спектральных линиях. В ее атмосфере присутствуют водород, гелий, углерод, а также кислород, что является необычным для планет данного типа. Кроме того, были идентифицированы более тяжелые элементы, такие как кремний, стронций, титан и другие. Первоначально оставалось неясным, почему планета нагрелась до столь высокой температуры, принимая во внимание, что ее звезда не обладает повышенной радиацией. Коротковолновое излучение звезды, в частности XUV-диапазон, обычно отвечает за нагрев атмосферы планет. В системе KELT-9 значительную часть излучения звезды составляет мягкое вакуумное ультрафиолетовое излучение в VUV-диапазоне. Предполагалось, что именно оно вызывает нагрев атмосферы планет, однако механизм его действия оставался не понятен. Были смоделированы квантовые процессы, происходящие с атомами в атмосфере, включая ионизацию и возбуждение под воздействием VUV-излучения. При анализе мягкого излучения было установлено, что оно фотоионизирует уже возбужденные атомы, что обеспечивает дополнительный механизм нагрева атмосферы. В случае KELT-9 b мягкое VUV-излучение в большей степени определяет нагрев атмосферы, чем XUV-излучение, и именно в этом заключается новый и ключевой механизм.
Ученые полагают, что множество экзопланет, обладающих схожим способом нагрева атмосферы, остаются неизученными. Междисциплинарный подход к исследованию планет и моделированию их атмосферы, включающий решение задач гидродинамики, газодинамики и других дисциплин, помогает уточнить данные, полученные с помощью телескопов, и расширить знания о космических объектах.
Исследование проводится при поддержке РНФ (проект № 23-12-00134).
Материал создан при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Автор: Кирилл Сергеевич