Астрономи розгадали загадку, чому гарячі юпітери так часто зустрічаються на орбітах, близьких до 3 земних діб, а нептуни — ні. До цього причетні хвилі, які розповсюджуються у їхній атмосфері.
«Пустеля Нептуна» дає підказки науковцям
За допомогою новітніх провідних моделювань команда астрономів зі США розробила нову перспективну теорію щодо того, як гігантські газові екзопланети мігрують на надзвичайно близькі орбіти навколо своїх зір. Під керівництвом Дж. Занацці з Пенсильванського державного університету команда продемонструвала, як масивні гарячі юпітери й менші планети розміром із Нептун можуть мігрувати з віддалених еліптичних орбіт, вивільняючи енергію через потужні ударні хвилі у своїх зовнішніх атмосферах. Про це розповідає сайт Phys.org.
Гарячі юпітери — це клас екзопланет, маса яких порівнянна з масою з масою Юпітера, найбільшої планети Сонячної системи, але які обертаються навколо своїх зір на дуже близькій відстані. Через це температура на них може перевищувати 2000 К. Їхні орбітальні періоди надзвичайно короткі, причому найбільше таких планет мають періоди від трьох до п’яти днів. Це явище називають «скупченням гарячих юпітерів».
Подібне скупчення спостерігається і серед менших газових гігантів, маси яких лежать у діапазоні між масами Нептуна та Сатурна. Це явище отримало назву «хребет Нептуна». Однак, на відміну від гарячих юпітерів, ці планети надзвичайно рідко зустрічаються на орбітах, тривалість яких становить менш ніж три дні, що створює явний пробіл у спостереженнях, який називають «пустеля Нептуна».
Для астрономів ці особливості є підказками до драматичної історії цих екзопланет. Згідно з поширеною гіпотезою, спочатку вони рухалися дуже витягнутими еліптичними орбітами, значно далі від своїх зір, а згодом перемістилися ближче до них. У міру того, як припливні сили їхніх материнських зір витягували енергію з їхніх орбіт, вони, ймовірно, мігрували всередину, зрештою досягаючи стабільних кругових орбіт із дивовижно схожими довжинами.
Але щоб їхні орбіти змінили форму саме таким чином, самі планети, мабуть, мали поглинути величезні обсяги орбітальної енергії. «Мене завжди бентежило те, що, хоча вважається, що вся ця енергія проходить крізь планету (достатньо, щоб повністю вивітрити більшу частину її маси), мало хто наважувався з’ясувати, який саме процес це спричиняє», — каже Занацці.
Поверхневі гравітаційні хвилі змінюють орбітальну траєкторію планет
З метою дослідження команда проаналізувала детальні моделювання гігантських екзопланет-мігрантів, виконані співавтором Морганом Маклеодом із Гарвардського університету. У момент найближчого зближення на еліптичній орбіті планета зазнає інтенсивних гравітаційних сил з боку своєї материнської зорі. У результаті в моделюваннях з’явилися коливання планетарного масштабу, так звані поверхневі гравітаційні хвилі, які поширювалися горизонтально поверхнею планети.
У розрідженій зовнішній атмосфері, де щільність різко знижується, моделювання Маклеода показало, що ці хвилі можуть рухатися швидше за швидкість звуку в газі. У цей момент надзвуковий потік перетворюється на ударну хвилю — різкий стрибок тиску та щільності, який швидко перетворює енергію хвилі на тепло. Оскільки ця енергія забирається з орбіти планети, кожна ударна хвиля змінює її орбітальну траєкторію на більш кругову форму з меншою енергією. У деяких випадках тепло також надавало енергію, необхідну для виходу газу з орбіти планети.
Безживні ядра гігантських планет
У моделюваннях остаточна доля кожної планети залежала від того, на якій глибині в атмосфері виникав ударний фронт. Науковці виявили, що неглибокі ударні фронти дозволяли газовим гігантам зберегти свою масу, тоді як глибокі ударні фронти зривали газові оболонки цих планет, залишаючи по собі безживні ядра гігантських планет.
Команда припустила, що саме цей бурхливий другий варіант може бути причиною існування щільних скелястих екзопланет, маса яких у десятки разів перевищує земну і які часто знаходять на надзвичайно малих орбітальних відстанях від своїх материнських зір.
Пояснення існування «пустелі Нептуна»
У моделі команди доля планети залежала від того, наскільки сильно витягувалася її орбіта. Зазвичай цей процес відбувається повільно. Коли планета наближається до зорі на певну відстань, гравітаційні припливи на її поверхні починають змінювати її орбіту, роблячи її більш круговою та зупиняючи подальше зближення. У результаті й гарячі юпітери, й менші газові гіганти стабілізуються на безпечній відстані від зорі. Це пояснює як скупчення гарячих юпітерів, так і «хребет Нептуна», які спостерігають астрономи.
Але якщо орбіта планети витягується швидше, вона може наблизитися до своєї зорі занадто близько ще до того, як почнуть діяти хвилі, втрачаючи газ під час кожного проходження. Це дає нове пояснення «пустелі Нептуна», межа якої майже збігається з відстанню, на якій починається цей процес втрати газу. Це також пояснювало б, чому рідкісні екзопланети, виявлені всередині «пустелі Нептуна», мають надзвичайно високу щільність: ймовірно, через масу, яку вони втратили під час міграції.
Команда припускає, що гарячі Юпітери на цих ближчих орбітах могли бути згодом відтягнуті ще далі всередину під дією припливних сил, що виникають на їхніх материнських зорях. «Чи підтвердяться наші прогнози, стане зрозуміло, коли науковці зберуть більше спостережних даних», — каже Занацці.
