Försvinnande planet: GJ 3470b:s atmosfär försvinner

En försvinnande värld sedd i ultraviolett ljus

För astronomer som skådar i ultraviolett ljus ser en värld i Neptunus storlek, cirka 96 ljusår bort, mindre ut som en planet och mer som en komet. Spektra från rymdteleskopet Hubble avslöjar ett enormt moln av neutralt väte som omger GJ 3470b, bortblåst från planeten och strömmande ut i rymden; signalen är så stark att forskare uppskattar att planeten redan har förlorat en betydande del av sin ursprungliga massa och avdunstar snabbare än någon jämförbar värld som hittills studerats.

Hur signalen hittades

Upptäckten härrör från upprepade observationer av GJ 3470b:s passage framför sin värdstjärna, en röd dvärg, gjorda i vätets Lyman-alfa-linje som en del av programmet Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury (PanCET). Hubble-data visar djup, repeterbar absorption under passagen: ungefär 35 % i linjens blå vinge och 23 % i den röda vingen, signaturer som tyder på ett stort, strukturerat hölje av neutralt väte som sträcker sig långt utanför planetens Roche-lob. Dessa mätningar gjorde det möjligt för teamet att modellera materialet som flyr och härleda en nuvarande förlusttakt av neutralt väte i storleksordningen 10^10 gram per sekund.

Flyktens fysik: uppvärmning, strålningstryck och Roche-gränser

Planeter i nära omloppsbanor badar i sin stjärnas röntgenstrålning och extremt ultravioletta strålning (XUV). Den energin värmer upp den övre atmosfären och driver den in i ett hydrodynamiskt flöde: gasen expanderar tills enskilda partiklar undkommer planetens gravitation. För GJ 3470b förstärks denna process eftersom världen har relativt låg densitet och kretsar kring en ung, aktiv M-dvärg, så stjärnans strålningstryck och högenergiflöde trycker bort neutralt väte med höga hastigheter. Numeriska simuleringar som kombinerar observerad stellär instrålning med partikeldynamik återskapar Hubbles absorptionssignaturer och antyder att planeten förlorar material betydligt snabbare än tidigare uppmätta varma Neptunus-liknande planeter.

Exosfärens form ger en ledtråd till dynamiken

GJ 3470b:s absorption är asymmetrisk i hastighet, med både blå- och rödförskjutna komponenter. Det mönstret – en utsträckt blå vinge som indikerar atomer som accelereras bort från stjärnan och en röd vinge som stämmer överens med tät, långsamt rörlig gas – tyder på flera regioner i det utströmmande flödet. Analysen talar för en ellipsoidisk, utsträckt termosfär som kan sträcka sig tiotals planetradier framför och bakom planeten, och den kan innehålla ett chockskikt där utströmmande planetär gas kolliderar med stjärnvinden. Det är dessa geometriska detaljer som låter astronomer gå från en ren upptäckt av ett moln till en uppskattning av historiken för massförlusten.

Hur mycket som redan har försvunnit och vad framtiden kan utvisa

Genom att projicera den härledda förlusttakten bakåt under rimliga antaganden om stjärnans tidigare aktivitet, uppskattar teamet att GJ 3470b redan kan ha förlorat mellan ungefär 4 % och 35 % av sin nuvarande totala massa under sin cirka två miljarder år långa livstid – och den andelen kan vara större om stjärnan var dramatiskt ljusare i XUV när den var ung. Fortsatt flykt vid jämförbara genomsnittliga hastigheter skulle kunna beröva planeten större delen av dess vätehölje på några miljarder år och lämna kvar en mycket mindre, stenig kärna – en evolutionär väg som kan bidra till att förklara varför så få planeter i Neptunus storlek observeras mycket nära sina stjärnor. Beräkningarna är dock förenade med betydande osäkerheter: massförlusttakten beror på den osäkra historiken av stellär aktivitet, atmosfärens sammansättning och termiska struktur samt interaktioner med stjärnvinden.

Kontext: avdunstningsöknen och populationens evolution

Kartläggningar av exoplaneter har länge noterat en relativ brist på medelstora planeter vid korta omloppsavstånd – ett fenomen som ibland kallas ”avdunstningsöknen”. En förklaring är att många varma Neptunus-planeter bildades med tjocka höljen av väte och helium, men krymptes till superjordar och mini-Neptunusar genom ihållande atmosfärisk flykt. GJ 3470b befinner sig nära kanten av den öknen, och dess tydliga pågående förlust utgör ett direkt, observerbart exempel på erosionsmekanismen i arbete. En jämförelse mellan GJ 3470b och den mer kända avdunstande Neptunus-liknande planeten GJ 436b visar att flyktbeteendet kan variera stort mellan liknande planeter på grund av skillnader i densitet och värdstjärnans aktivitet.

Observationsutmaningar och varför ultraviolett ljus är avgörande

Studier av väteflykt bygger på ultraviolett spektroskopi, och det innebär en stor observationsmässig begränsning: det interstellära mediet sprider och absorberar Lyman-alfa, så endast relativt närbelägna system – inom cirka 150 ljusår och med gynnsamma siktlinjer – är tillgängliga. Hubbles ultravioletta kapacitet har därför varit oumbärlig, och PanCET-programmets metod med observationer vid flera tidpunkter gjorde det möjligt att skilja planetära signaler från stellär variabilitet och instrumentella effekter. Komplementära spårämnen, som helium sett i infrarött, kringgår vissa av Lyman-alfa-begränsningarna och är tillgängliga för instrument som rymdteleskopet James Webb och markbaserade spektrografer inställda på heliumlinjer; dessa observationer är högprioriterade eftersom de kan utforska regioner med lägre hastighet i flödet och hjälpa till att fastställa den totala massförlusten.

Öppna frågor och nästa steg

Trots Hubble-signalens tydlighet kvarstår viktiga osäkerheter. Att översätta en uppmätt förlusttakt av neutralt väte till en total atmosfärisk massförlust kräver antaganden om joniseringsbalansen och andelen tyngre ämnen som förs bort i utflödet. Stjärnans högenergihistoria – hur ljusstark den var i XUV när den var ung – dominerar uppskattningarna av den integrerade massförlusten och är endast indirekt begränsad. Framöver planerar astronomer uppföljningar i flera våglängder: sökningar efter helium i infrarött, ytterligare ultraviolett övervakning för att kontrollera långsiktig stabilitet eller förändringar kopplade till stellär aktivitet, samt jämförande kartläggningar som utökar urvalet av varma Neptunus-liknande planeter som observerats i Lyman-alfa. Tillsammans kommer dessa observationer att förfina förståelsen av avdunstningens roll i att forma populationer av exoplaneter.

GJ 3470b är därför både ett laboratorium och en varning: under det obevekliga inflytandet från en närliggande stjärna kan en värld långsamt skalas av till något helt annat. Den utvecklingen – rörig, utdragen och synlig om man vet var man ska leta – kan vara ett vanligt kapitel i livshistorien för många planeter som kretsar kring små, aktiva stjärnor.

Källor

• Astronomy & Astrophysics (forskningsartikel: "Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b").
• Pressmaterial från Johns Hopkins University / PanCET om Hubble-observationer av GJ 3470b.
• Space Telescope Science Institute (stöd för Hubble-missionen och dokumentation av PanCET-programmet).