Дослідження показують, що багато планет можуть мати атмосферу багату гелієм

Століттями ніхто не знав, чи були ми самотні у Всесвіті — чи існують навіть інші планети, подібні до нашої. Але завдяки новим телескопам і методам за останні десятиліття ми тепер знаємо, що тисячі й тисячі планет обертаються навколо далеких зірок, і вони бувають самих різних форм і розмірів — великих і малих, кам’янистих і газоподібних, хмарних і крижаних. або мокрий.

Дослідження, проведене вченими з Чиказького, Мічиганського та Мерілендського університетів, пропонує до списку ще одну: планети з гелієвою атмосферою. Крім того, відкриття може запропонувати новий крок у нашому розумінні еволюції планети. Їхнє моделювання показало, що цілком ймовірно, що гелій з часом буде накопичуватися в атмосферах певних типів екзопланет. Якщо це підтвердиться, це пояснить багаторічну загадку про розміри цих екзопланет.

«Існує так багато дивних і чудових видів екзопланет, і це відкриття не тільки додає новий вид, але може мати наслідки для розуміння еволюції та формування планет загалом», — сказав астрофізик Чиказького університету Леслі Роджерс, співавтор автор нової статті, опублікованої в Nature Astronomy .

Таємниця радіусної долини

Нам знадобилося так багато часу, щоб знайти далекі планети, тому що навіть найбільші далеко затьмарені зірками, навколо яких вони обертаються. Тож вчені винайшли геніальний спосіб виявити їх: шукаючи провал у світлі зірки, коли планета проходить перед нею. Це говорить вам про те, наскільки велика планета.

Тепер ми знаємо, що планети неймовірно поширені. Насправді з того, що ми можемо сказати на цей час, принаймні половина всіх зірок, таких як наше Сонце, має принаймні одну планету розміром від Землі до Нептуна, яка обертається дуже близько до зірки. Існує гіпотеза, що ці планети мають атмосферу з великою кількістю водню та гелію, зібраних, коли планети вперше сформувалися з газу та пилу навколо зірки.

Але коли вчені дивилися на кількість таких планет, вони помітили дещо цікаве — планети були розділені на дві групи. Одна група була розміром приблизно з півтори Землі, а інша група була вдвічі більшою за Землю або більше, але між ними майже не було жодної.

Цей розрив між двома популяціями планет відомий як «радіус долини», і це питання гаряче обговорюється в цій галузі. Вчені вважають, що відповідь допоможе нам зрозуміти, як ці та інші планети формуються та розвиваються з часом. Дехто припустив, що пояснення цього розриву може бути пов’язане з атмосферами планет. Важко бути планетою поблизу своєї зірки; вас постійно бомбардують рентгенівськими та ультрафіолетовими променями, які можуть знищити вашу атмосферу.

«Наприклад, можливо, менша група планет повністю втратила свою атмосферу й існує просто як скелясті ядра», — сказав перший автор дослідження Ісаак Мальскі, доктор філософії. студент Мічиганського університету, який вперше почав досліджувати це питання з Роджерсом для своєї дисертації в Чиказькому університеті.

Команда, до якої входили Роджерс і Мальскі, вирішила уважніше вивчити це явище, відоме як втеча атмосфери. Вони створили моделі на основі наявних у нас даних про планети та закони фізики, щоб краще зрозуміти, як тепло та радіація вплинуть на атмосферу планет. Потім вони створили 70 000 імітованих планет, змінюючи розміри планет, тип зірки, навколо яких вони обертаються, і температуру атмосфери, і змоделювали, що з ними станеться з часом.

Команда виявила, що через кілька мільярдів років водень в планетарних атмосферах, ймовірно, виходить швидше, ніж гелій. «Водень має нижчу атомну масу, тому його легше виділити», — пояснив Мальскі. З часом це призводить до накопичення гелію — моделювання показало, що гелій може становити 40% або більше маси атмосфери.

Підтвердження телескопа

Команда запропонувала спосіб підтвердити свої результати спостереженнями. Нещодавно запущений космічний телескоп Джеймса Вебба та інші потужні телескопи можуть зчитувати елементи атмосфери та їх кількість. Телескопи можуть перевірити, чи є в атмосферах деяких із цих планет надзвичайно велика кількість гелію. Якщо теорія правильна, ці планети з багатою на гелій атмосферою повинні бути особливо поширеними в нижній частині групи більшого радіуса, тому що гелій накопичується, коли планета починає зменшуватися з часом, оскільки її атмосфера поступово звільняється.

Дві різні групи розмірів планет створюються тому, що навіть невелика кількість гелію та водню створює дуже пухку атмосферу, яка може значно збільшити радіус планети, пояснив Мальскі. Якщо у них хоч якась атмосфера залишилася, вони будуть у групі з більшим радіусом; якщо його немає, вони будуть у групі з меншим радіусом.

Вважається, що жодна з цих планет не є хорошим кандидатом для життя — вони гарячі, бомбардовані радіацією, а атмосфера, ймовірно, перебуває під дуже високим тиском. Але вчені пояснили, що покращення нашого розуміння процесів, які спонукають до формування планет, може допомогти нам краще передбачити, які інші планети існують і як вони виглядають, а також спрямувати пошуки більш гостинних планет.

«Краще розуміння цієї популяції може багато розповісти нам про походження та еволюцію планет розміром до Нептуна, які, очевидно, є загальним результатом процесу формування планет», — сказав Роджерс.