Наблюдения экзопланет с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» показали, что способность каменистого мира сохранять атмосферу определяется значительно сложнее, чем предполагалось в простой картине. Особенно неожиданными оказались горячие планеты, находящиеся чрезвычайно близко к своим звёздам. Несмотря на мощное облучение, которое должно ускорять потерю атмосферы, некоторые из таких миров сохраняют плотные газовые оболочки.
Проблема стала особенно заметной благодаря наблюдениям лавовых миров. Эти планеты настолько близки к своим звёздам, что их поверхность может быть покрыта глобальным или почти глобальным океаном расплавленной породы. На первый взгляд такие условия должны способствовать быстрому исчезновению атмосферы. Однако наблюдения показывают, что у некоторых из этих объектов атмосфера всё же существует.
Новое исследование предлагает объяснение этой особенности. Вместо одной границы, отделяющей планеты, способные сохранять атмосферу, от практически безатмосферных миров, исследователи предлагают рассматривать две границы. Между ними располагается область, которую они называют «безвоздушной долиной». Одна граница связана преимущественно с потерей атмосферы, другая — с её пополнением за счёт процессов внутри самой планеты.
Почему атмосфера вообще может исчезнуть
Звезда постоянно воздействует на атмосферу планеты
Атмосфера планеты не является неизменной оболочкой. Газ может постепенно уходить в космос под воздействием излучения и других процессов. Особенно важным фактором является количество энергии, которое планета получает от своей звезды.
Чем ближе планета находится к звезде, тем сильнее её поверхность и верхние слои атмосферы подвергаются воздействию излучения. Нагрев может способствовать расширению атмосферы, а высокоэнергетическое излучение способно запускать процессы, приводящие к потере атмосферного вещества. В результате между поступлением нового газа и его уходом в космос устанавливается определённый баланс.
При этом сама скорость потери атмосферы зависит не только от расстояния до звезды. Существенную роль играют масса и размер планеты, состав атмосферы, количество летучих веществ внутри планеты, её возраст, внутреннее тепло и история взаимодействия со звездой. Именно поэтому одинаковое расстояние от звезды ещё не означает одинаковую судьбу атмосферы.
Гравитация удерживает газ
Вторая важная характеристика — способность планеты удерживать атмосферу собственной гравитацией. Для более массивного тела уход газа в космос в целом затруднён сильнее, чем для небольшого объекта.
Из этого следует простая закономерность: сильное звёздное облучение способствует атмосферным потерям, а большая гравитация противодействует им. Именно сочетание этих факторов лежит в основе концепции, которую называют «космической береговой линией».
Но новые наблюдения показывают, что такой двухфакторной картины недостаточно для некоторых каменистых экзопланет. Она не учитывает достаточно подробно процессы, происходящие внутри самой планеты и способные постоянно возвращать летучие вещества в атмосферу.
Что такое «космическая береговая линия»
Эмпирическая граница между мирами с атмосферой и без неё
«Космическая береговая линия» — это не физическая поверхность и не реальная граница в космосе. Это эмпирическая закономерность, используемая для сравнения планет и спутников по двум основным параметрам: получаемому от звезды излучению и способности удерживать вещество своей гравитацией.
По одну сторону этой условной границы находятся тела, способные сохранять существенную атмосферу. В Солнечной системе примерами являются Земля и Венера, а также спутник Сатурна Титан. По другую сторону находятся Меркурий и Луна, у которых нет плотной атмосферы, сопоставимой с земной.
Такая зависимость полезна как обобщённая схема, но она не является универсальным правилом, которое одинаково описывает каждый планетный объект. По мере накопления наблюдений экзопланет становится возможным проверять, насколько хорошо эта закономерность работает в других планетных системах.
Лавовые миры оказались особенно сложным случаем
Проблема проявилась при изучении чрезвычайно горячих каменистых экзопланет. Они получают от своих звёзд настолько большое количество энергии, что находятся в условиях, при которых атмосферные потери должны быть особенно эффективными.
Одним из наиболее известных примеров является 55 Cancri e. Это суперземля, обращающаяся вокруг своей звезды менее чем за 18 часов. Она находится настолько близко к звезде, что относится к лавовым мирам: предполагается наличие глобального океана расплавленной породы или близкого к нему состояния поверхности.
По простой версии «космической береговой линии» такая планета должна испытывать чрезвычайно сильную потерю атмосферы. Однако наблюдения «Джеймса Уэбба» дали другую картину.
Исследования показали, что 55 Cancri e обладает существенной атмосферой, причём её свойства не соответствуют первоначальной идее о тонкой оболочке из испарившейся породы. Данные указывают на летучую атмосферу, вероятно богатую угарным газом или углекислым газом. Одним из возможных источников такой атмосферы является дегазация расплавленной внутренней части планеты.
Почему горячая планета способна сохранять атмосферу
Магматический океан становится источником газа
На обычной каменистой планете летучие вещества могут находиться в атмосфере, поверхности и недрах. Если атмосфера активно теряет газ, со временем её запасы могут уменьшаться.
У лавового мира ситуация может быть другой. Если значительная часть поверхности представляет собой расплавленную породу, летучие вещества могут оставаться растворёнными в магме. При этом часть газа постепенно выделяется из расплава и пополняет атмосферу.
Получается своеобразный баланс: звезда способствует потере атмосферы, но внутренняя часть планеты одновременно поставляет новый газ. Если источник пополнения действует достаточно долго, атмосфера может сохраняться даже при очень сильном внешнем воздействии.
Именно этот механизм лежит в основе предложенной модели «космической отмели» — cosmic sandbar. Исследователи считают, что в таких условиях большая часть летучих веществ остаётся растворённой в магматическом океане, а в атмосферу попадает лишь сравнительно небольшая доля, доступная для последующего удаления в космос.
Внутреннее тепло может продлевать существование магматического океана
Для некоторых планет магматический океан может сохраняться дольше, чем предполагалось бы только исходя из их положения относительно звезды. Одним из дополнительных источников энергии может быть приливный нагрев.
Он возникает из-за гравитационного взаимодействия планеты с другими телами системы. Если орбита планеты меняется определённым образом и сохраняет заметную эксцентричность, приливные процессы способны выделять внутри неё дополнительное тепло.
В предложенной модели этот механизм особенно важен для некоторых многопланетных систем. Дополнительный внутренний нагрев может способствовать более длительному существованию расплава, а значит, и продолжению дегазации.
Это не означает, что любой лавовый мир обязательно имеет плотную атмосферу. Авторы модели подчёркивают, что сохранение атмосферы у подобных объектов зависит от сочетания множества параметров, включая состав, массу, возраст, уровень нагрева и свойства звезды. Для звёзд холоднее класса K горячие миры с плотными атмосферами, согласно модели, маловероятны без очень сильного дополнительного внутреннего нагрева.
Три режима вместо одного
«Космическая отмель»: атмосфера постоянно пополняется
В новой картине самый горячий режим получил название «космической отмели». Он соответствует планетам с длительно существующими магматическими океанами, где летучие вещества сохраняются внутри расплава и постепенно поступают в атмосферу.
Такая планета всё равно теряет газ из-за интенсивного воздействия звезды. Разница заключается в том, что потеря компенсируется внутренним источником. Поэтому сильное облучение не обязательно приводит к мгновенному или полному исчезновению атмосферы.
55 Cancri e рассматривается как один из примеров, соответствующих этому режиму. При этом наличие атмосферы у планеты не означает её пригодности для жизни: экстремальная температура и условия на поверхности лавовых миров делают их совершенно иными объектами по сравнению с Землёй.
«Безвоздушная долина»: пополнение уже не успевает за потерями
Между горячим режимом «космической отмели» и более холодным режимом «космической береговой линии» модель помещает область, названную «безвоздушной долиной».
Здесь атмосферные потери оказываются эффективнее процессов пополнения. По мере охлаждения планеты и затвердевания магматического океана летучие вещества могут переходить из расплава в твёрдые внутренние слои. Одновременно атмосфера продолжает подвергаться воздействию звезды и терять газ.
Если внутренний источник больше не способен компенсировать эти потери, атмосфера постепенно становится всё более разреженной и в конечном итоге может практически исчезнуть.