NASA odkrywa tajemnicę kurczących się egzoplanet

Naukowcy korzystający z danych z Kosmicznego Teleskopu Keplera odkryli, że niektóre egzoplanety kurczą się z powodu utraty atmosfery, prawdopodobnie na skutek promieniowania z ich jąder. Odkrycie to pomaga wyjaśnić obserwowaną lukę objętościową w egzoplanetach i wskazuje na znaczący proces utraty atmosfery, odmienny od wcześniej teoretycznego fotoparowania.

Nowe badanie może wyjaśnić „brakujące” egzoplanety pomiędzy superziemiami a planetami subneptunowymi.

Wydaje się, że niektóre egzoplanety tracą atmosferę i kurczą się. W nowym badaniu z wykorzystaniem NASAKorzystając z wycofanego już teleskopu kosmicznego Keplera, astronomowie znaleźli dowody na możliwą przyczynę: jądra tych planet rozpychają swoje atmosfery od środka na zewnątrz.

Różnica w wielkości egzoplanet

Egzoplanety (planety poza naszym Układem Słonecznym) Występuje w różnych rozmiarachOd małych skalistych planet po masywne gazowe giganty. Na środku leży skała Super Ziemia I większe pod-Neptuny z puszystą atmosferą. Istnieje jednak wyraźna nieobecność – „różnica wielkości” – planet od 1,5 do 2 razy większych od Ziemi (lub pomiędzy superziemiami a planetami poniżej Neptuna), nad którymi naukowcy pracują, aby lepiej je zrozumieć.

„Naukowcy potwierdzili obecnie odkrycie ponad 5000 egzoplanet, ale jest mniej planet o średnicy od 1,5 do 2 metrów” – powiedział Jesse Christiansen, naukowiec w Caltech/IPAC i kierownik naukowy Archiwum egzoplanet NASA. na Ziemi. Autor nowego badania w Magazyn astronomiczny. „Naukowcy zajmujący się egzoplanetami mają teraz wystarczająco dużo danych, aby stwierdzić, że ta luka to nie tylko przypadek. Dzieje się coś, co uniemożliwia planetom dotarcie do nich i/lub pozostanie tam.”

Koncepcja artysty pokazuje, jak mogłaby wyglądać egzoplaneta TOI-421 b Neptuna. W nowym badaniu naukowcy znaleźli nowe dowody wskazujące, w jaki sposób tego typu planety tracą atmosferę. Źródło: NASA, Europejska Agencja Kosmiczna, Kanadyjska Agencja Kosmiczna i D. Gracz (STScI)

Naukowcy uważają, że tę lukę można wytłumaczyć utratą atmosfery przez niektóre planety z biegiem czasu. Strata ta miałaby miejsce, gdyby planeta nie miała wystarczającej masy, a tym samym siły grawitacyjnej, aby utrzymać swoją atmosferę. Zatem planety poniżej Neptuna, które nie są wystarczająco masywne, skurczą się do rozmiarów mniej więcej superziemi, pozostawiając lukę pomiędzy rozmiarami dwóch planet.

Jednak sposób, w jaki te planety tracą atmosferę, pozostaje tajemnicą. Naukowcy ustalili dwa możliwe mechanizmy: jeden nazywa się utratą masy jako energią podstawową; Drugim jest fotoparowanie. Badanie ujawniło nowe dowody potwierdzające to pierwsze.

W tym filmie wyjaśniono różnice między głównymi typami egzoplanet, czyli planetami spoza Układu Słonecznego. Źródło: NASA/Laboratorium Napędów Odrzutowych-Instytut Technologiczny w Kalifornii

rozwiązać zagadkę

Utrata masy z jądra następuje, gdy promieniowanie z gorącego jądra planety z biegiem czasu odpycha atmosferę od planety, „a to promieniowanie wypycha atmosferę od dołu” – powiedział Christiansen.

Innym głównym wyjaśnieniem przerwy planetarnej jest fotoparowanie, które zachodzi, gdy atmosfera planety eksploduje pod wpływem gorącego promieniowania jej gwiazdy macierzystej. W tym scenariuszu „wysokoenergetyczne promieniowanie gwiazdy działa jak suszarka do włosów na kostce lodu” – powiedziała.

Chociaż uważa się, że fotoparowanie zachodzi w ciągu pierwszych 100 milionów lat życia planety, uważa się, że utrata masy spowodowana energią podstawową następuje znacznie później – około miliard lat po życiu planety. Ale w przypadku obu mechanizmów „jeśli nie masz wystarczającej masy, nie będziesz w stanie utrzymać, stracisz atmosferę i skurczysz się” – dodał Christiansen.

Ta mapa szczegółowo opisuje główne typy egzoplanet. Naukowcy pracują nad lepszym zrozumieniem „luki w wielkości”, czyli widocznego braku planet leżących pomiędzy superziemiami a planetami niższymi od Neptuna. Źródło obrazu: NASA/JPL-Caltech

Odkrywanie dowodów poprzez obserwację

W tym badaniu Chittiansen i współautorzy wykorzystali dane z należącej do NASA misji K2, będącej misją uzupełniającą kosmicznego teleskopu Keplera, aby przyjrzeć się gromadom gwiazd Praesepe i Hyades, które mają od 600 do 800 milionów lat. Ponieważ ogólnie uważa się, że planety są w tym samym wieku, co ich gwiazda macierzysta, planety poniżej Neptuna w tym układzie będą znacznie starsze niż wiek, w którym może nastąpić fotoparowanie, ale nie są na tyle stare, aby ulec utracie masy energii jądra.

Zatem jeśli zespół zauważy, że w Prasepe i Hiades znajduje się wiele planet subneptunowych (w porównaniu ze starszymi gwiazdami w innych gromadach), może stwierdzić, że nie doszło do fotoparowania. W tym przypadku najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego, co dzieje się z mniej masywną masą podNeptuna w czasie, byłaby utrata masy spowodowana energią podstawową.

Obserwując Brycepe i Haadesa, naukowcy odkryli, że prawie 100% gwiazd w tych gromadach nadal zawiera gwiazdę podrzędną.Neptun Planeta lub planeta kandydująca na ich orbicie. Sądząc po wielkości tych planet, badacze uważają, że zachowały one swoją atmosferę.

Ta ilustracja przedstawia należącego do NASA łowcę egzoplanet, Kosmiczny Teleskop Keplera. Agencja ogłosiła 30 października 2018 r., że Keplerowi skończyło się paliwo i wycofa się na swoją obecną, bezpieczną orbitę, daleko od Ziemi. Kepler pozostawił po sobie dziedzictwo ponad 2600 odkryć egzoplanet. Źródło zdjęcia: NASA/Wendy Stenzel/Daniel Rutter

Różni się to od innych starszych gwiazd obserwowanych przez K2 (gwiazd starszych niż 800 milionów lat), z których tylko 25% krąży wokół sub-Neptuna. Starszy wiek tych gwiazd jest bliższy przedziałowi czasowemu, w którym, jak się uważa, następuje podstawowa utrata masy energii.

Na podstawie tych obserwacji zespół doszedł do wniosku, że w Praesepe i Hyades nie mogło dojść do fotoparowania. Gdyby tak się stało, stałoby się to setki milionów lat temu, a na tych planetach pozostałoby niewiele atmosfery, jeśli w ogóle w ogóle. To sprawia, że ​​utrata masy wywołana przez jądro jest głównym wyjaśnieniem prawdopodobnego zjawiska zachodzącego w atmosferach tych planet.

Trwające badania i dziedzictwo Keplera

Zespół Christiansena spędził ponad pięć lat na tworzeniu katalogu planet niezbędnego do badań. Jednak badania są nadal dalekie od ukończenia, a obecne zrozumienie fotoparowania i/lub podstawowej utraty masy energii może dalej ewoluować. Wyniki prawdopodobnie będą musiały zostać przetestowane w przyszłych badaniach, zanim ktokolwiek będzie mógł ogłosić, że zagadka tej przepaści planetarnej została rozwiązana raz na zawsze.

Badanie to przeprowadzono przy użyciu archiwum Exoplanet Archive NASA, zarządzanego przez California Institute of Technology w Pasadenie na podstawie umowy z NASA w ramach programu eksploracji egzoplanet i zlokalizowanego w Jet Propulsion Laboratory NASA w południowej Kalifornii. JPL jest oddziałem Kalifornijskiego Instytutu Technologii.

Odniesienie: „Skalowanie K2. VII. „Dowody na wysokie tempo tworzenia mezozoicznego gorącego sub-Neptuna” Jesse L. Christiansen, John K. Zinke, Kevin K. Hardigree-Ullman, Rachel B. Fernandez, Philip F. Hopkins , Louisa M. Ripoll, Kirsten M. Polley, Galen J. Bergsten i Saki Burri, 15 listopada 2023 r., Magazyn astronomiczny.
doi: 10.3847/1538-3881/acf9f9

Misja Keplera NASA

30 października 2018 roku Keplerowi zabrakło paliwa i zakończył swoją misję po dziewięciu latach, podczas której odkrył ponad 2600 potwierdzonych planet krążących wokół innych gwiazd oraz tysiące dodatkowych kandydatów, nad potwierdzeniem których pracują astronomowie.

Centrum badawcze Ames w Dolinie Krzemowej w Kalifornii zarządza misjami Kepler i K2 dla Dyrekcji Misji Naukowych NASA. JPL zarządzało rozwojem misji Kepler. Ball Aerospace & Technologies Corporation obsługiwała system lotu przy wsparciu Laboratorium Fizyki Atmosfery i Kosmosu na Uniwersytecie Kolorado w Boulder.