Раскрытие космической хореографии, определяющей размер и местоположение субнептунов

Используя недавно разработанный инструмент для просеивания данных со спутника NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite, группа под руководством астронома из Университета штата Пенсильвания идентифицировала молодые субнептуновые планеты, близкие к своим звездам, и обнаружила, что на их размер и местоположение могли повлиять различные космические процессы. В этой гипотетической планетной системе, изображенной с течением времени, планеты b–f изображены на трех различных стадиях: 10–100 млн лет (верхняя панель), 100 млн лет–1 млрд лет (средняя панель) и >1 млрд лет (нижняя панель). Эта прогрессия подчеркивает ключевые процессы, формирующие систему, такие как потеря массы атмосферы и эволюция состава, вызванная звездным излучением и планетарными взаимодействиями. Автор: Abigail Minnich (abbyminnich.wixsite.com/film)

Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Университета штата Пенсильвания, сочетание космических процессов формирует формирование одного из самых распространенных типов планет за пределами нашей солнечной системы. Исследовательская группа использовала данные спутника NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) для изучения молодых субнептунов — планет больше Земли, но меньше Нептуна, — которые вращаются по орбите вблизи своих звезд. Работа дает представление о том, как эти планеты могут мигрировать внутрь или терять свою атмосферу на ранних стадиях.

Статья с описанием исследования появилась сегодня, 17 марта, в The Astronomical Journal. Результаты дают подсказки о свойствах субнептунов и помогают ответить на давние вопросы об их происхождении, заявила команда.

«Большинство из примерно 5500 экзопланет, открытых на сегодняшний день, имеют очень близкую к своим звездам орбиту, ближе, чем Меркурий к нашему Солнцу, и мы называем их «близкими» планетами», — сказала Рэйчел Фернандес, научный сотрудник кафедры астрономии и астрофизики Университета штата Пенсильвания и руководитель исследовательской группы.

«Многие из них являются газообразными субнептунами, типом планет, отсутствующим в нашей солнечной системе. В то время как наши газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, сформировались дальше от Солнца, неясно, как стольким близким субнептунам удалось выжить вблизи своих звезд, где они подвергаются интенсивной звездной радиации».

Чтобы лучше понять, как формируются и развиваются субнептуны, исследователи обратились к планетам вокруг молодых звезд, которые лишь недавно стали доступны для наблюдения благодаря TESS.

«Сравнение частоты экзопланет определенных размеров вокруг звезд разного возраста может многое рассказать нам о процессах, которые формируют формирование планет», — сказал Фернандес. «Если планеты обычно формируются в определенных размерах и местах, мы должны увидеть схожую частоту этих размеров в разных возрастах. Если мы этого не увидим, это говорит о том, что определенные процессы изменяют эти планеты с течением времени».

Однако наблюдение за планетами вокруг молодых звезд традиционно было сложным. Молодые звезды испускают вспышки интенсивного излучения, быстро вращаются и очень активны, создавая высокие уровни «шума», которые затрудняют наблюдение за планетами вокруг них.

«Молодые звезды в первый миллиард лет своей жизни устраивают истерики, испуская тонны радиации», — объяснил Фернандес. «Эти звездные истерики вызывают много шума в данных, поэтому мы потратили последние шесть лет на разработку вычислительного инструмента под названием Pterodactyls, чтобы видеть сквозь этот шум и фактически обнаруживать молодые планеты в данных TESS».

Исследовательская группа использовала птеродактилей для оценки данных TESS и идентификации планет с орбитальными периодами 12 дней или меньше (для справки, это намного меньше 88-дневного периода обращения Меркурия) с целью изучения размеров планет, а также того, как планеты формировались под воздействием излучения их звезд.

Поскольку окно обзора команды составляло 27 дней, это позволило им увидеть две полные орбиты потенциальных планет. Они сосредоточились на планетах с радиусом от 1,8 до 10 размеров Земли, что позволило команде увидеть, является ли частота субнептунов похожей или разной в молодых системах по сравнению со старыми системами, ранее наблюдавшимися с помощью TESS и вышедшего на пенсию космического телескопа НАСА «Кеплер».

Исследователи обнаружили, что частота близких субнептунов меняется со временем, причем меньше субнептунов вокруг звезд возрастом от 10 до 100 миллионов лет по сравнению с теми, которым от 100 миллионов до 1 миллиарда лет. Однако частота близких субнептунов намного меньше в более старых, более стабильных системах.

«Мы считаем, что разнообразные процессы формируют закономерности, которые мы видим в близких звездах такого размера», — сказал Фернандес. «Возможно, что многие субнептуны изначально сформировались дальше от своих звезд и со временем медленно мигрировали внутрь, поэтому мы видим их больше в этом орбитальном периоде в промежуточной эпохе».

«Возможно, в более поздние годы планеты чаще сжимаются, когда излучение звезды по сути сдувает ее атмосферу, процесс, называемый потерей массы атмосферы, который может объяснить более низкую частоту субнептунов. Но, скорее всего, это комбинация космических процессов, формирующих эти закономерности с течением времени, а не одна доминирующая сила».

Исследователи заявили, что хотели бы расширить свое окно наблюдений с помощью TESS, чтобы наблюдать планеты с более длительными орбитальными периодами. Будущие миссии, такие как PLATO Европейского космического агентства, также могут позволить исследовательской группе наблюдать планеты меньших размеров, подобные Меркурию, Венере, Земле и Марсу. Расширение их анализа на более мелкие и более далекие планеты может помочь исследователям усовершенствовать свой инструмент и предоставить дополнительную информацию о том, как и где формируются планеты.

Кроме того, космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб» может позволить охарактеризовать плотность и состав отдельных планет, что, по словам Фернандеса, может дать дополнительные подсказки о том, где они сформировались.

«Объединение исследований отдельных планет с исследованиями популяций, подобными тем, что мы провели здесь, даст нам гораздо более полную картину формирования планет вокруг молодых звезд», — сказал Фернандес.

«Чем больше солнечных систем и планет мы открываем, тем больше мы понимаем, что наша Солнечная система на самом деле не является шаблоном; это исключение. Будущие миссии могут позволить нам найти меньшие планеты вокруг молодых звезд и дать нам более полную картину того, как планетные системы формируются и развиваются со временем, помогая нам лучше понять, как появилась наша Солнечная система, какой мы ее знаем сегодня».

Больше информации: Rachel B. Fernandes et al, Signatures of Atmospheric Mass Loss and Planet Migration in the Time Evolution of Short-period Transiting Exoplanets, The Astronomical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-3881/adb97e

Источник: Pennsylvania State University