Хотя планетные системы стремительно «взрослеют», астрономам почти никогда не удается поймать этот момент. Впервые детально проследить его удалось только сейчас: наблюдения за системой TOI-2076 возрастом примерно 210 миллионов лет показали, как излучение звезды срывает атмосферы с одних планет и меняет орбиты других, определяя их судьбу на миллиарды лет вперед.
Как правило, астрономы видят либо «младенцев» — системы, только что сформировавшиеся из газопылевого диска, — либо уже зрелые группы небесных тел, которые давно пришли в равновесие. Однако промежуточный этап, когда планеты активно теряют атмосферу и одновременно меняют архитектуру, длится мгновение по космическим меркам. Вот почему наблюдать эти изменения удается нечасто.
К счастью, планетная система TOI-2076, обращающаяся вокруг молодой звезды спектрального класса K (оранжевые светила с температурой поверхности от 3500 до 4700 градусов Цельсия), оказалась той самой редкой находкой «переходного возраста».
Международная группа астрономов под руководством Му Тянь-Вана (Mu-Tian Wang) из Калифорнийского технологического института (США), провела детальную перепись четырех планет системы радиусом от 1,4 до 3,5 радиуса Земли. Анализ данных, полученных с помощью космической обсерватории TESS и наземных наблюдений, позволил уточнить массу небесных тел и орбитальные параметры.
Выяснилось, что все четыре планеты встроены в почти резонансную цепочку: периоды их обращения вокруг звезды близки к простым числовым соотношениям, однако строгой гравитационной «сцепки» уже нет. Это указывает на то, что раньше TOI-2076 была более компактной и, вероятно, находилась в устойчивой резонансной конфигурации, а теперь постоянно теряет свою первоначальную «стройность».
Главным механизмом наблюдаемых изменений оказалось фотоиспарение — процесс разрушения атмосферы планеты или газового облака под высокоэнергетическим излучением светила (как правило, ультрафиолетовым или рентгеновским), в результате которого нагретый газ разгоняется и покидает гравитационное поле планеты. Именно этот процесс зачастую превращает мини–нептуны в суперземли.
Наблюдения также показали, что у всех четырех миров схожие по массе каменные ядра, а вот газовые оболочки по толщине разные. Ближайшая к звезде планета — TOI-2076 b — практически полностью лишилась первичной атмосферы, тогда как ее более удаленные собратья сохранили примерно от одного до пяти процентов массы в виде водородно-гелиевого газа. Эта доля закономерно увеличивается по мере снижения излучения — именно такой сценарий и предсказывают модели фотоиспарения.
Чтобы проверить, действительно ли излучение светила может объяснить наблюдаемую картину, соавтор исследования Говард Чен (Howard Chen) из Флоридского технологического института, применил численные модели эволюции планет. В этих сценариях несколько изначально похожих по составу миров развивались под действием разного уровня излучения.
Результаты научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy,
показали, что ближайшие к звезде планеты стремительно теряли газ, становясь плотнее и легче, что меняло их гравитационное взаимодействие с соседями. По итогу орбиты постепенно расходились, а прежняя резонансная конфигурация разрушалась.
Основная потеря атмосфер, по расчетам, происходит в первые 100 миллионов лет жизни системы. Затем темпы резко снижаются, а архитектура в целом «замораживается» на миллиарды лет. Выходит, именно короткий подростковый период TOI-2076 решает, станут ли миры мини-нептунами с тонкой газовой оболочкой или оголенными суперземлями.
Таким образом, астрономы впервые получили наглядное подтверждение того, что динамическая перестройка и атмосферная эволюция компактных планетных систем начинаются вскоре после их рождения. Понимание того, как молодые миры теряют атмосферу и выходят из резонансных цепочек, позволяет точнее реконструировать прошлое зрелых систем и предсказывать будущее недавно открытых экзопланет.