Сотрудники Института лазерной физики СО РАН создали 3D-модель верхней атмосферы самой горячей экзопланеты нашей галактики — KELT-9 b звёздной системы KELT-9. В систему входят два небесных тела — горячий белый карлик и красный карлик, который относится к классу горячих юпитеров. В результате исследований сибирские учёные смогли описать механизм взаимодействия двух космических объектов и создать модель, уточняющую параметры верхней атмосферы планеты KELT-9 b. Статья об этом опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Система KELT-9 находится в созвездии Лебедя на расстоянии примерно 667 световых лет от Солнца. Планета KELT-9 b сегодня считается самой горячей из всех обнаруженных экзопланет: средняя температура её атмосферы — около 4  000 °С, а максимальная достигает 10 000 °С. Изначально исследователи выдвигали различные предположения о том, стоит ли считать KELT-9 b планетой из-за её высокой температуры, однако отсутствие термоядерных процессов внутри неё позволило определить этот космический объект как планету. На одной стороне KELT-9 b всегда день, на другой — ночь, это характерная особенность для большинства экзопланет, так как они, как правило, очень близко расположены к своим главным звёздам. По причине малого расстояния от звезды, KELT-9 b находится в приливном захвате — оба тела вращаются синхронно, по примеру Земли и Луны, и в результате этого экзопланета всегда обращена к своему солнцу одной стороной.

«В нашей солнечной системе самая близкая к Солнцу планета — Меркурий, расстояние между этими объектами составляет примерно половину астрономической единицы — дистанции между Землей и Солнцем. Подавляющая часть обнаруженных планет в Млечном Пути находятся еще ближе к своим звездам, чем Меркурий, в несколько раз. Дистанция между звездой KELT-9 и планетой KELT-9 b — около 0,03 астрономической единицы, то есть исследуемая планета в тридцать раз ближе к звезде, чем Земля к Солнцу. В этом плане экзопланеты интересны для изучения, потому что в нашей солнечной системе нет подобных объектов. Главный научный интерес — понять, как подобные космические тела вообще могли появиться. Существует две гипотезы. В первом случае предполагается, что планета формируется из газопылевого облака во время образования звезды, однако моделирование показывает — это невозможно, так как звезда, имея превосходящую массу, перетянет на себя космическое вещество. Вторая гипотеза допускает, что экзопланеты могут появляться в разных местах в космосе, а потом в результате каких-либо условий или обстоятельств мигрируют ближе к звёздам. Сегодня этот вопрос остается открытым», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории энергетики мощных лазеров ИЛФ СО РАН Станислав Сергеевич Шарипов.

Из-за того, что KELT-9 b находится на малом расстоянии от звезды, она имеет расширенную или раздутую атмосферу, превышающую радиус планеты в три раза и достигающую 300 тысяч километров. Это характерная особенность газовых гигантов, у которых отсутствует твёрдая поверхность. Сибирские физики исследуют экзопланеты, используя наблюдения в разных спектральных диапазонах. В телескопы можно увидеть, как планета проплывает по диску звезды, а её атмосфера выступает в роли светового фильтра, который пропускает только определённые излучения. Такие наблюдения позволяют примерно понять состав атмосферы и её радиус. Для получения более конкретных данных о составе атмосферы и количестве молекул в ней учёные применяют численное моделирование, с помощью которого удалось определить температуру и компонентный состав.

«KELT-9 b изучена в нескольких спектральных линиях. В её атмосфере содержатся водород, гелий, углерод, а также кислород, что считается редким для такого типа планет. Помимо этого, обнаружены более тяжёлые элементы: кремний, стронций, титан и другие. Изначально было непонятно, почему планета разогрелась до такой температуры, учитывая, что ее звезда не имеет высоких показателей радиации. За нагрев атмосферы любых планет отвечает коротковолновое излучение звезды — XUV-диапазон. В системе KELT-9 большую часть излучения звезды составляет мягкое вакуумное ультрафиолетовое излучение в VUV-диапазоне. Появилось предположение, что именно оно отвечает за нагрев атмосферы планет, но не был понятен механизм действия. Мы смоделировали квантовые процессы, происходящие с атомами в атмосфере — ионизацию и возбуждение под воздействием VUV-излучения. При рассмотрении мягкого излучения мы выяснили, что оно фотоионизует уже возбужденные атомы, что дает дополнительный канал нагрева атмосферы. В случае KELT-9 b мягкое VUV-излучение в большей степени отвечает за нагрев атмосферы, чем XUV-излучение, в этой особенности заключается новый и главный механизм», — отметил исследователь.

По мнению учёных, существует множество экзопланет с подобным механизмом нагрева атмосферы, которые ещё не исследованы. Новый междисциплинарный подход в изучении планет и моделировании их атмосферы, предполагающий решение задач гидродинамики, газодинамики и других областей, позволяет конкретизировать данные, полученные с помощью телескопов и узнать больше о космических объектах.

Исследование проводится при поддержке РНФ (проект №23-12-00134). Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Текст: Кирилл Сергеевич.
Источник: «Наука в Сибири».