TESS и JWST раскрывают распадающиеся недра планет

Увеличенное изображение цели, BD+05 4868 A, и ее более слабого двойного компаньона, BD+05 4868 B, расположенного в 3,0′′ к северо-востоку. Автор: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.05431

На заседании Американского астрономического общества 2025 года две группы астрономов — из Университета штата Пенсильвания и Массачусетского технологического института — независимо друг от друга объявили о новых открытиях, касающихся экстремальной формы разрушения планет: каменистые планеты распадаются под воздействием сильного жара своих звезд.

Команда Penn State представила новые измерения внутреннего состава каменистой планеты с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), в то время как команда MIT представила открытие ближайшей и наиболее быстро распадающейся планеты на сегодняшний день с помощью Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.

Обе космические обсерватории изучали тысячи звезд в поисках крошечных периодических провалов света — так называемых транзитов — из-за вращения планет по орбитам, которые случайно выводят их между Землей и Солнцем. Обычно эти провалы симметричны и происходят каждые несколько недель или месяцев — один раз за каждый оборот планеты вокруг своей звезды.

В редких случаях планеты совершают оборот вокруг своих звезд каждые несколько часов, поскольку они находятся чрезвычайно близко к своим звездам. Такие планеты называются планетами с ультракоротким периодом обращения или УКП.

Распадающиеся планеты — это чрезвычайно редкая подкатегория USP — можно наблюдать только те, которые достаточно горячие, чтобы испарить свою поверхность, и достаточно малы, чтобы не удерживать материал гравитационно. Этот материал покидает планету в динамическом, хаотичном процессе, который заставляет транзитный сигнал менять силу на каждой орбите. Столь же характерным является образование пылевого хвоста, очень похожего на хвост кометы, когда пыль улетает в космос.

«Эти планеты буквально вываливают свои внутренности в космос для нас, и с помощью JWST у нас наконец-то есть возможность изучить их состав и увидеть, из чего на самом деле состоят планеты, вращающиеся вокруг других звезд», — сказал Ник Тьюсей, аспирант Университета штата Пенсильвания, работающий в Центре экзопланет и обитаемых миров, и ведущий автор одного из исследований.

«Примечательно, что прямое измерение внутреннего строения планет Солнечной системы настолько сложно — у нас есть лишь ограниченный объем образцов мантии Земли и нет доступа к мантии Меркурия, Венеры или Марса, — но здесь мы обнаружили планеты, находящиеся в сотнях световых лет от нас и посылающие свои внутренние вещества в космос и подсвечивающие их для изучения с помощью наших спектрографов», — сказал Джейсон Райт, профессор астрономии и астрофизики, соавтор исследования из Университета штата Пенсильвания и научный руководитель докторантуры Тусая.

«Это замечательная и удачная возможность понять внутреннее строение планет земной группы», — добавил он.

Команда Penn State обучила спектрограф JWST на K2-22, звезде, открытой космическим аппаратом Kepler в рамках его расширенной миссии K2, чтобы разместить одну из этих испаряющихся планет, K2-22b. Эта планета совершает оборот каждые 9,1 часа и имеет температуру поверхности 2100 К — достаточно, чтобы не просто расплавить, но и испарить железо и горные породы в вакуум космоса.

«K2-22b имеет асимметричный транзитный профиль, поскольку пылевое облако выбросов планеты появляется перед звездой, демонстрируя свидетельства удлиненных хвостов, как у кометы», — сказал Тусэй. Команда Тусэй сравнила спектр звезды до и после транзита со спектром во время события.

«Мы не знали, чего ожидать», — сказал Райт, который также был соавтором более раннего исследования о том, как использовать JWST для исследования этих экзопланетных хвостов. Некоторые астрономы ожидали, что эти планеты уже потеряют все свои внешние материалы и будут просто голым железным ядром.

«Мы надеялись, что у них все еще могут быть мантии или, возможно, даже испаряющийся материал коры. Среднеинфракрасный спектрограф MIRI телескопа JWST оказался идеальным инструментом для проверки, поскольку материалы коры, силикатной мантии и железного ядра пропускают свет по-разному, и JWST может различать их спектроскопически», — добавил Райт.

«Нам не повезло, что мы не наблюдали планету, когда ее хвост был очень плотным, поэтому наш спектр оказался слабее и его было сложнее интерпретировать, чем мы ожидали», — сказал Тусай.

Тем не менее, они обнаружили спектр, в целом соответствующий идее, что материал представляет собой силикатный материал, например, из мантии. Команда также обнаружила неожиданные узкие особенности на 4,5 и 5,1 микрона.

Этого не было ни в одной из оригинальных моделей команды, и, по-видимому, это согласуется с углекислым газом (CO ₂) и оксидом азота (NO) — двумя соединениями, которые обычно ассоциируются с ледяными телами, такими как кометы, а не с мантиями планет земной группы, таких как Земля или Меркурий. «Это был своего рода момент «кто это заказал?», — сказал Тусей.

Команда надеется, что теперь, когда они установили обоснованность метода, они смогут и дальше использовать JWST для проверки этих особенностей с более высокой значимостью и для сбора данных, которые помогут теоретикам лучше моделировать этот странный объект.

Исследования таких планет также значительно продвинулись вперед благодаря усилиям команды Массачусетского технологического института, которая объявила об открытии новой распадающейся планеты, обнаруженной TESS, вращающейся вокруг звезды BD+05 4868 A.

«У распадающейся планеты, вращающейся вокруг звезды BD+05 4868 A, самые заметные на сегодняшний день пылевые хвосты», — сказал Марк Хон, научный сотрудник научного офиса TESS Массачусетского технологического института и руководитель исследования Массачусетского технологического института.

«Пылевые хвосты, вырывающиеся из быстро испаряющейся планеты, огромны. Их длина составляет около 9 миллионов километров, и они охватывают более половины орбиты планеты вокруг звезды за 30 с половиной часов», — добавил он.

О размерах пылевых хвостов BD+05 4868 Ab свидетельствует длительная продолжительность транзита, достигающая 15 часов, и значительная глубина транзитов, которые блокируют более 1% излучаемого звездой света.

Как и K2-22b, вместо одного кометоподобного хвоста, BD+05 4868 Ab имеет два — один ведущий и один отстающий от орбиты планеты. Наличие двух отличительных хвостов объясняется наличием пылевых частиц разного размера, исходящих от планеты. Считается, что ведущий хвост содержит более крупные пылевые частицы, сопоставимые по размеру с песком пустыни, в то время как отстающий хвост в основном состоит из более мелких зерен, похожих по размеру на частицы сажи.

Основываясь на размерах пылевых хвостов BD+05 4868 Ab, исследование MIT предполагает, что планета должна быстро распадаться со скоростью, примерно равной массе луны, за миллион лет. Если принять массу BD+05 4868 Ab примерно равной массе луны, то планета полностью испарится в течение одного-двух миллионов лет, что быстро по космическим масштабам времени.

«Скорость, с которой испаряется планета, поистине катастрофична, и нам невероятно повезло стать свидетелями последних часов этой умирающей планеты», — сказал достопочтенный.

«Что еще очень интересно в BD+05 4868 Ab, так это то, что у нее самая яркая родительская звезда среди других распадающихся планет — примерно в 100 раз ярче, чем K2-22, — что делает ее эталоном для будущих исследований распада таких систем», — сказал Ави Шпорер, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института и соавтор проекта Массачусетского технологического института.

«До нашего исследования три другие известные распадающиеся планеты вращались вокруг слабых звезд, что затрудняло их изучение», — добавил он.

Две команды совместно представили предложение JWST по изучению BD+05 4868 A таким же образом, как и K2-22. «Качество данных, которые мы должны получить от BD+05 4868 A, будет исключительным», — сказал Шпорер. «Эти исследования доказали обоснованность этого подхода к пониманию экзопланетных недр и открыли дверь для совершенно нового направления исследований с JWST».

Больше информации: Marc Hon et al, A Disintegrating Rocky Planet with Prominent Comet-like Tails Around a Bright Star, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.05431
Nick Tusay et al, A Disintegrating Rocky World Shrouded in Dust and Gas: Mid-IR Observations of K2-22b using JWST, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.08301