Несмотря на быстрое развитие планетных систем, астрономам редко выпадает возможность наблюдать этот процесс непосредственно. Однако, сейчас это стало возможным впервые: детальное изучение системы TOI-2076, возраст которой составляет около 210 миллионов лет, продемонстрировало, как излучение звезды разрушает атмосферы некоторых планет и изменяет орбиты других, предопределяя их дальнейшую эволюцию на протяжении миллиардов лет.
Обычно астрономы наблюдают либо молодые звёздные системы, недавно образовавшиеся из газопылевого облака, либо зрелые группы небесных тел, достигшие равновесия. Период, когда планеты интенсивно теряют атмосферу и претерпевают изменения в своей структуре, очень короткий в космических масштабах. Именно поэтому подобные трансформации фиксируются не так часто.
К счастью, планетная система TOI-2076, вращающаяся вокруг молодой звезды спектрального класса K (оранжевые светила, имеющие температуру поверхности в диапазоне от 3500 до 4700 градусов Цельсия) стали той самой редкой находкой, которую называют «объектами переходного возраста».
Международная группа астрономов во главе с Му Тянь-Ваном (Mu-Tian Wang) из Калифорнийского технологического института (США) осуществила подробную оценку характеристик четырех планет, радиус которых варьируется от 1,4 до 3,5 радиуса Земли. Благодаря анализу информации, собранной космической обсерваторией TESS и результатам наземных наблюдений, ученым удалось более точно определить массу этих небесных тел и параметры их орбит.
Анализ показал, что четыре планеты системы находятся в цепочке, близкой к резонансному состоянию: их периоды обращения вокруг звезды соотносятся как простые числа. Тем не менее, гравитационной «сцепки» между ними больше не наблюдается. Это свидетельствует о том, что система TOI-2076 в прошлом была более сжатой и, скорее всего, обладала стабильной резонансной структурой, но теперь постепенно утрачивает свою изначальную упорядоченность».
Основной причиной отмеченных изменений стало фотоиспарение – явление, при котором атмосфера планеты или газового облака разрушается под воздействием интенсивного излучения звезды (обычно ультрафиолетового или рентгеновского). В ходе этого процесса нагретый газ приобретает достаточную скорость, чтобы преодолеть гравитационное притяжение планеты и улететь. Как правило, именно этот механизм приводит к тому, что мини–нептуны в суперземли.
Анализ данных выявил, что у всех четырех планет имеются каменные ядра, сопоставимые по массе, однако газовые оболочки отличаются по толщине. Планета, расположенная ближе всего к звезде – TOI-2076 b, почти утратила свою первоначальную атмосферу, в то время как более отдаленные планеты сохранили от одного до пяти процентов своей массы в виде водорода и гелия. Этот показатель закономерно возрастает с уменьшением получаемого излучения, что соответствует прогнозам моделей фотоиспарения.
Для того чтобы убедиться, способно ли излучение звезды объяснить наблюдаемые особенности, соавтор исследования Говард Чен из Флоридского технологического института использовал компьютерное моделирование эволюции планет. В рамках этих моделей, различные миры, изначально схожие по составу, развивались при разной интенсивности излучения.
Результаты научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy,
показали, что ближайшие к звезде планеты стремительно теряли газ, становясь плотнее и легче, что меняло их гравитационное взаимодействие с соседями. По итогу орбиты постепенно расходились, а прежняя резонансная конфигурация разрушалась.
По оценкам ученых, наибольшие потери атмосферы происходят в первые 100 миллионов лет существования системы. После этого скорость этих потерь значительно уменьшается, а общая структура остается практически неизменной на протяжении миллиардов лет. Таким образом, именно короткий период формирования экзопланеты TOI-2076 определяет, превратятся ли эти планеты в мини-нептуны с разреженной газовой оболочкой или в лишенные атмосферы суперземли.
Это открытие стало первым прямым доказательством того, что процессы изменения и развития атмосферы у небольших планетных систем запускаются на ранних этапах их существования. Изучение того, как молодые планеты теряют свою атмосферу и покидают зоны гравитационного взаимодействия, дает возможность более точно восстанавливать историю уже сформировавшихся планетных систем и прогнозировать судьбу недавно открытых экзопланет.