Юпитеры спаслись от перегрева

Большую часть массы планет-гигантов, таких как Юпитер, составляют лёгкие элементы – водород и гелий, находящиеся, по большей части, в газообразной форме. В последние годы было обнаружено большое количество таких планет, некоторые из них находятся в 10–15 раз ближе к своим звёздам, чем Меркурий к Солнцу.

Эти планеты не зря называют «горячими юпитерами»: даже Меркурий, расположенный от Солнца в 60 миллионах километров, разогревается до +350 по Цельсию. Если же расстояние составляет меньше 10 миллионов километров, температура должна быть ещё выше. А значит, горячая атмосфера планеты быстро улетучивается в окружающее пространство.

Часть из них в самом деле испаряются, оставляя на орбите шлейф газа, следы такого испарения были замечены в спектрах соответствующих звёзд. Однако многие другие находятся не столь близко, но всё же значительно ближе Меркурия, и никаких признаков рассеянных по орбите газов найти пока не удалось. До сих пор астрофизикам было непонятно, каким образом эти планеты могут удерживать свою атмосферу.

Как показывает новое исследование, газовые гиганты оказались стабильнее, чем предполагалось ранее.

Согласно новой компьютерной модели, построенной Томми Коскиненом из Университетского колледжа Лондона и его коллегами, гигантские газовые планеты, такие как Юпитер, могут находиться очень близко к звездам в своих системах – в два раза ближе, чем Меркурий к Солнцу, – и не испаряться. Отчет о проделанной работе представлен в последнем выпуске журнала Nature.

Верхние слои атмосферы наиболее подвержены воздействию высокоэнергетического излучению звезд, лежащего в диапазонах ультрафиолетовых волн и рентгеновского излучения. Именно в этих слоях атомы газов могут разогреться и разогнаться настолько, что смогут преодолеть тяготение таких гигантских планет, как Юпитер, и отправиться в свободное путешествие по просторам Вселенной.

Однако атмосфера планет может вполне оставаться и относительно холодной, если газ умеет активно отдавать полученную от звезды энергию в окружающее пространство – например, в виде электромагнитного излучения.

Задачей британских специалистов было оценить баланс между процессами поглощения и испускания энергии верхними слоями атмосферы планет, близких по массе к Юпитеру и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Модель позволила выявить, что испарение атмосферы таких гигантов не происходит вплоть до приближения к звезде на расстояние, составляющие 40% дистанции между нашим дневным светилом и Меркурием.

Это расстояние примерно вдвое меньше ранее полученного в результате расчетов. Ну а к звёздам тусклее Солнца можно подойти и поближе.

Как оказалось, секрет такой устойчивости – ионы трёхатомного водорода, Н₃⁺.

Этот положительный ион состоит из трех атомов водорода и не встречается в природе в условиях Земли. Как оказалось, он может очень эффективно излучать полученную энергию в виде инфракрасного (ИК) излучения и тем самым остужать верхние слои атмосферы.

Инфракрасное излучение молекул обусловлено тепловым движением отдельных атомов, участвующих в формировании химических связей. Если представить себе ион Н₃⁺ в виде трех металлических шариков, соединенных пружинками, мы увидим непрерывные сжатие, удлинение и изгибы пружин – так называемые деформационные колебания молекул. При ослаблении этих колебаний молекулы и ионы водорода излучают электромагнитные волны ИК-диапазона. Возможен и обратный процесс – поглощение ИК-волн молекулами и увеличение интенсивности их деформаций и вращения.

Тем не менее, эффективность испускания ИК-излучения ионами Н₃⁺ может оказаться недостаточной для надлежащего охлаждения атмосферы горячих гигантов. При приближении к светилу на критическую дистанцию атмосфера планет раскаляется настолько, что молекулы – как экзотические ионы Н₃⁺, так и обычные молекулы водорода Н₂ – разваливаются на отдельные атомы. Такие частицы уже не могут эффективно излучать полученную тепловую энергию в виде волн ИК-спектра, так как не участвуют в формировании химических связей.

В результате температура верхних слоев атмосферы резко возрастает с 3 тысяч до 20 тысяч градусов.

При такой температуре атомы обладают уже достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силу тяготения родной планеты и улететь в космической пространство.

Однако, как показывает модель Коскинена, даже в этом случае процесс потери массы планетами идет с очень небольшой скоростью, так что небесные тела могут провести в процессе испарения многие миллиарды лет.

Команда Коскинена отмечает, что результаты их симуляции находятся в согласии с данными наблюдений за планетой HD 209458b, имеющей массу около 75% от массы Юпитера и вращающейся вокруг своей звезды на расстоянии 12% от радиуса орбиты Меркурия. По мнению Коскинена, несмотря на чрезвычайную близость этой планеты к звезде, процесс её испарения будет продолжаться еще не один миллиард лет. Такая же скорость испарения наблюдается и у других планет, находящихся на очень коротком расстоянии от своих светил. По его словам, эти планеты внешне выглядят очень стабильными, и причины, по которым они могут сохранять свою массу в течение длительного времени, до сих пор не были ясны.

Работа лондонских специалистов может прояснить и вопрос происхождения других горячих планет, которые часто называют «горячими супер-Землями».

Это также планеты-гиганты, обращающиеся вокруг своих звёзд на небольшом расстоянии от их поверхности, но с массой ближе скорее к массе Нептуна, чем Юпитера, – примерно в 10–20 масс Земли. У них может существовать твёрдая оболочка, и многие астрофизики полагали, что они могут быть «сухими остатками» испарившихся планет-гигантов.

У этих высказываний, впрочем, есть и много противников, считающих, что эти планеты изначально имели свои нынешние размеры. Работа Коскинена и его коллег порадует этих учёных: быстро испариться атмосферы «горячих юпитеров», видимо, не могли.

Пока не ясно, какое отношение новая модель имеет к судьбе Земли, которую также ожидает близкое знакомство с Солнцем – пусть и по инициативе самого светила, которому суждено раздуться в сотню раз, приблизив свои верхние слои к земной орбите. Спасёт ли нашу планету ион трёхатомного водорода – покажут будущие исследования.