Исчезающая планета: GJ 3470b теряет свою атмосферу

Исчезающий мир в ультрафиолетовом свете

Для астрономов, ведущих наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне, мир размером с Нептун в 96 световых годах от нас больше напоминает комету, чем планету. Спектры космического телескопа Hubble выявили обширное облако нейтрального водорода вокруг GJ 3470b, которое сдувается с планеты и устремляется в космическое пространство. Сигнал настолько силен, что исследователи оценивают потерю значительной части первоначальной массы планеты и полагают, что она испаряется быстрее, чем любой другой сопоставимый мир из изученных ранее.

Как был обнаружен сигнал

Открытие стало результатом многократных наблюдений транзита GJ 3470b на фоне родительской звезды — красного карлика — в линии водорода Лайман-альфа (Lyman-α). Наблюдения проводились в рамках программы Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET). Данные Hubble показывают глубокое, повторяющееся поглощение во время транзита: примерно 35% в «синем крыле» спектральной линии и 23% в «красном крыле». Такие признаки указывают на наличие обширной структурированной оболочки из нейтрального водорода, выходящей далеко за пределы полости Роша (Roche lobe) планеты. Эти измерения позволили команде смоделировать убегающее вещество и рассчитать современную скорость потери нейтрального водорода, которая составляет порядка 10^10 граммов в секунду.

Физика убегания: нагрев, радиационное давление и пределы Роша

Близко расположенные планеты купаются в рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом излучении (XUV) своих звезд. Эта энергия нагревает верхние слои атмосферы, вызывая гидродинамический отток: газ расширяется до тех пор, пока отдельные частицы не преодолевают гравитацию планеты. Для GJ 3470b этот процесс усиливается, поскольку планета обладает относительно низкой плотностью и вращается вокруг молодого активного М-карлика, поэтому давление излучения и поток высокой энергии звезды выталкивают нейтральный водород на высоких скоростях. Численное моделирование, сочетающее наблюдаемое звездное облучение с динамикой частиц, воспроизводит признаки поглощения, зафиксированные Hubble, и указывает на то, что планета теряет вещество гораздо быстрее, чем изученные ранее «теплые Нептуны».

Форма экзосферы дает ключ к пониманию динамики

Поглощение GJ 3470b асимметрично по скорости и включает как синее, так и красное смещение. Такая картина — расширенное «синее крыло», указывающее на ускорение атомов в сторону от звезды, и «красное крыло», соответствующее плотному, медленно движущемуся газу — предполагает наличие нескольких областей в уходящем потоке. Анализ указывает на эллипсоидальную, вытянутую термосферу, которая может простираться на десятки планетных радиусов впереди и позади планеты. Она также может включать слой ударной волны, где исходящий планетный газ сталкивается со звездным ветром. Именно эти геометрические детали позволяют астрономам перейти от простого обнаружения облака к оценке истории потери массы.

Сколько уже потеряно и что готовит будущее

Экстраполируя расчетную скорость убегания в прошлое при разумных предположениях об активности звезды, команда оценивает, что GJ 3470b могла потерять от 4% до 35% своей нынешней общей массы за примерно два миллиарда лет своего существования. Эта доля могла быть и больше, если в молодости звезда светилась в XUV-диапазоне значительно ярче. Продолжение потери массы с сопоставимой средней скоростью может лишить планету большей части ее водородной оболочки за несколько миллиардов лет, оставив после себя гораздо меньшее скалистое ядро — это один из путей эволюции, который может объяснить, почему так мало планет размером с Нептун наблюдается в непосредственной близости от своих звезд. Однако расчеты содержат значительную долю неопределенности: скорость потери массы зависит от неясной истории звездной активности, состава и тепловой структуры атмосферы, а также взаимодействия со звездным ветром.

Контекст: пустыня испарения и эволюция популяций

Обзоры экзопланет давно отмечают относительный дефицит планет среднего размера на коротких орбитальных расстояниях — особенность, которую иногда называют «пустыней испарения» (evaporation desert). Одно из объяснений заключается в том, что многие «теплые Нептуны» сформировались с толстыми водородно-гелиевыми оболочками, но из-за непрерывного убегания атмосферы превратились в «суперземли» и «мини-Нептуны». GJ 3470b находится близко к краю этой «пустыни», и ее интенсивная текущая потеря массы служит прямым, наблюдаемым примером механизма эрозии в действии. Сравнение GJ 3470b с более известным испаряющимся Нептуном GJ 436b показывает, что процесс убегания может сильно различаться у схожих планет из-за различий в плотности и активности родительской звезды.

Трудности наблюдения и почему ультрафиолет критически важен

Изучение убегания водорода опирается на ультрафиолетовую спектроскопию, и это накладывает серьезное ограничение: межзвездная среда рассеивает и поглощает линию Лайман-альфа, поэтому доступны только относительно близкие системы — в пределах примерно 150 световых лет и с благоприятным направлением обзора. Таким образом, возможности Hubble в ультрафиолетовом диапазоне оказались незаменимы, а мультиэпохальный подход программы PanCET позволил отделить планетные сигналы от звездной изменчивости и инструментальных эффектов. Дополнительные индикаторы, такие как гелий, наблюдаемый в инфракрасном диапазоне, позволяют обойти некоторые ограничения линии Лайман-альфа и доступны для таких инструментов, как James Webb Space Telescope и наземные спектрографы, настроенные на линии гелия. Такие наблюдения являются приоритетными, поскольку они позволяют исследовать области потока с более низкими скоростями и помогают подвести точный баланс общей потери массы.

Открытые вопросы и следующие шаги

Несмотря на четкость сигнала Hubble, сохраняются ключевые неопределенности. Перевод измеренной скорости потери нейтрального водорода в общую потерю массы атмосферы требует предположений об ионизационном балансе и доле более тяжелых элементов, уносимых потоком. История высокой энергии звезды — насколько яркой она была в XUV-диапазоне в молодости — является определяющей для оценки суммарной потери массы и ограничена лишь косвенно. В дальнейшем астрономы планируют многоволновые исследования: поиск гелия в инфракрасном диапазоне, дополнительный ультрафиолетовый мониторинг для проверки долгосрочной стабильности или изменений, связанных со звездной активностью, а также сравнительные обзоры, расширяющие выборку «теплых Нептунов», наблюдаемых в линии Лайман-альфа. Вместе эти наблюдения уточнят роль испарения в формировании популяций экзопланет.

Таким образом, GJ 3470b является одновременно и лабораторией, и предупреждением: под неумолимым воздействием близкой звезды мир может постепенно «сбрасывать оболочку», превращаясь в нечто совершенно иное. Эта эволюция — хаотичная, длительная и видимая, если знать, куда смотреть — может быть обычной главой в историях жизни многих планет, вращающихся вокруг небольших активных звезд.

Источники

• Astronomy & Astrophysics (научная статья: "Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b").
• Johns Hopkins University / Пресс-материалы PanCET по наблюдениям Hubble за GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (поддержка миссии Hubble и документация программы PanCET).