На Земле год длится 365 дней, на Меркурии 88 дней, а на Юпитере почти 12 лет. Чем дальше планета от звезды, тем длиннее год — это кажется естественным и логичным.
Но астрономы нашли планеты, у которых год короче земного дня. Они совершают полный оборот вокруг своей звезды за несколько часов. Такие планеты называют «горячими юпитерами» или «ультракороткопериодическими планетами». Они находятся так близко к своей звезде, что их орбита меньше, чем у Меркурия, а температура на поверхности достигает тысяч градусов.
Как планеты оказались на таких немыслимо близких орбитах? Почему они не падают на звезду? И могут ли там существовать хотя бы какие-то формы жизни?
1. Что такое ультракороткий период
Период обращения планеты вокруг звезды — это её «год».
Ультракороткопериодическими называют планеты с периодом обращения менее одного земного дня. Самые экстремальные из них имеют период всего от 4 до 6 часов.
Например, планета K2-137b совершает оборот вокруг своей звезды за 4 часа 18 минут. Её орбитальный радиус составляет всего 0,005 астрономической единицы — она в 20 раз ближе к звезде, чем Меркурий к Солнцу. Температура на её поверхности — около 2000 градусов.
На такой близкой орбите планета движется со скоростью сотни километров в секунду. Для сравнения: Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Ультракороткопериодическая планета летит в 5-10 раз быстрее.
2. Как планета оказалась так близко к звезде
По современным представлениям, планеты не могут сформироваться так близко к звезде. В протопланетном диске на таком расстоянии слишком горячо для конденсации твёрдых частиц и газа, поэтому ультракороткопериодические планеты должны были родиться дальше, а затем мигрировать внутрь.
Существует два основных механизма миграции:
Миграция через протопланетный диск. На ранних этапах формирования системы планета взаимодействует с газом в протопланетном диске. Она теряет угловой момент и постепенно «падает» на звезду. Процесс может занять от сотен тысяч до нескольких миллионов лет.
Приливная миграция. После того как диск рассеялся, планета продолжает медленно сближаться со звездой из-за приливных сил. Энергия орбитального движения переходит в тепло внутри планеты (и звезды), орбита уменьшается и этот процесс может длиться миллиарды лет.
Некоторые ультракороткопериодические планеты, вероятно, прошли через оба этапа: быстро упали внутрь через диск, а затем медленно приближались ещё миллиарды лет.
Некоторые планеты не выживают в процессе миграции. Если они подходят слишком близко, приливные силы разрывают их на части, или они падают на звезду.
3. Почему планета не падает на звезду
На таких близких орбитах гравитация звезды огромна, но планета не падает, потому что она движется по орбите с огромной скоростью: центробежная сила уравновешивает гравитацию.
Если бы планета замедлилась, она бы упала. Но замедления нет — орбитальное движение стабильно, хотя и подвержено приливным воздействиям.
Со временем орбита будет уменьшаться, но это происходит настолько медленно, что планета может пережить всю жизнь звезды, так и не упав.
Для самых коротких периодов (менее 4 часов) планета уже входит в предел Роша звезды, и приливные силы должны её разорвать. Поэтому планеты с периодом короче 4 часов, вероятно, не существуют — их разрывает ещё до того, как они успевают сформироваться или мигрировать.
Предел Роша зависит от плотности планеты и звезды. Для каменистой планеты и звезды, похожей на Солнце, предел находится на расстоянии около 0,01 астрономических единиц (период около 4-5 часов). Именно поэтому ультракороткопериодические планеты с периодом короче 4 часов не обнаружены.
4. Как астрономы находят такие планеты
Обнаружить планету с периодом 4-10 часов непросто, но есть методы:
Транзитный метод. Спутники вроде "Кеплер" ищут регулярные затемнения звезды планетой. Для короткопериодической планеты транзиты происходят часто — каждые несколько часов, но транзит длится всего 1-2 часа, и нужно зафиксировать его несколько раз подряд.
Метод лучевых скоростей. Планета вызывает колебания звезды своим притяжением. Для короткопериодической планеты эти колебания быстрые (каждые несколько часов) и имеют большую амплитуду, потому что планета близко. Этот метод позволяет подтвердить открытие и измерить массу.
Самые короткопериодические планеты были открыты именно транзитным методом, а затем подтверждены методом лучевых скоростей или другими наблюдениями.
Первая ультракороткопериодическая планета (CoRoT-7b) была открыта в 2009 году. Её период — 20 часов. Сейчас известны десятки планет с периодом менее одного дня.
5. Какие они — ультракороткопериодические планеты
Эти миры не похожи на Землю или Юпитер, они экстремальны во всём.
Температура. Дневная сторона нагрета до 2000-3000 градусов. Камни там плавятся, а железо испаряется. Если планета каменистая, её поверхность — это океан лавы, а если газовый гигант, его атмосфера раздута и может улетучиваться в космос.
Приливный захват. Все такие планеты приливно заблокированы: одна сторона всегда обращена к звезде, другая — в вечной тьме. Разница температур между дневной и ночной стороной — тысячи градусов.
Атмосфера. Большинство ультракороткопериодических планет не имеют атмосферы — она сдута звездным ветром и излучением. Но некоторые, особенно газовые гиганты, могут удерживать разреженную атмосферу из тяжёлых элементов (например, натрия).
Размер. Среди них есть и каменистые суперземли, и газовые гиганты размером с Юпитер. Каменистые планеты с коротким периодом чаще встречаются вокруг красных карликов (маленькие звёзды), где зона обитаемости близка к звезде. Газовые гиганты — вокруг звёзд, похожих на Солнце.
На самой горячей из известных ультракороткопериодических планет (KELT-9b) температура на дневной стороне достигает 4300 градусов — горячее поверхности некоторых звёзд. Там даже молекулы не могут существовать — они распадаются на атомы.
6. Может ли там быть жизнь.
Жизнь в привычном нам виде требует жидкой воды, умеренной температуры и защищённой атмосферы. На ультракороткопериодической планете температура на дневной стороне измеряется тысячами градусов, вода существует только в виде плазмы, атмосфера отсутствует (или состоит из испарённой породы).
Даже если бы жизнь могла существовать в таких условиях (например, кремниевая жизнь при высоких температурах), она не выжила бы из-за постоянной бомбардировки звёздным ветром и излучением. Кроме того, приливный захват создаёт вечную ночь на одной стороне — перепады температур слишком велики для любой известной формы жизни.
Однако такие планеты интересны для астрофизики: они позволяют изучать экстремальные процессы, приливное взаимодействие и эволюцию планетных систем.
7. Судьба ультракороткопериодических планет
Со временем приливные силы уменьшают орбиты таких планет и они либо падают на звезду, либо испаряются под действием её излучения.
Некоторые уже теряют массу: астрономы наблюдали, как от горячих юпитеров отлетают хвосты газа, похожие на кометные. За миллиарды лет планета может потерять всю свою атмосферу, а затем и часть каменной поверхности.
Те, что выживают, в конце концов падают на звезду. Когда это происходит, выделяется огромная энергия — возможно, такие события выглядят как вспышки, похожие на рождение новых звёзд.
Ультракороткопериодические планеты — это недолговечные объекты. По оценкам, они существуют всего несколько сотен миллионов лет (для сравнения: Земле 4,6 миллиарда лет). Если мы их видим, значит, мы смотрим на последние стадии их жизни.
Подпишись, если понравилась статья!
Ниже другие статьи: