Что такое горячие юпитеры и почему их орбиты особенные?
Стремясь больше узнать о планетах за пределами нашей Солнечной системы, астрономы столкнулись с довольно уникальным видом небесных тел.
Юпитер - одна из самых узнаваемых планет нашей Солнечной системы. Благодаря тому, что он является самым большим и третьим по яркости объектом в ночном небе, мы многое узнали о его свойствах и характеристиках.
Однако этот Юпитер находится в нашей Солнечной системе... Есть ли планеты, похожие на Юпитер, в других звездных системах?
В наших поисках экзопланет существует классификация под названием "газовые гиганты". Это экзопланеты размером с Юпитер или Сатурн, но оказывается, что внутри этой категории есть класс экзопланет под названием "горячие Юпитеры".
Что же представляет собой горячий Юпитер?
Введение в горячие юпитеры
Как следует из названия, горячие юпитеры - это газовые гиганты, похожие на Юпитер, которые вращаются очень близко к своим родительским звездам. Они настолько близки к своей родительской звезде, что радиус их орбит обычно составляет около 0,1 астрономической единицы (АЕ). Для сравнения, среднее расстояние между Меркурием и Солнцем составляет 0,4 АЕ.
Горячие юпитеры - это первый тип экзопланет, который обнаружили астрономы. В 1995 году швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Келоз обнаружили газовый гигант, вращающийся вокруг звезды, похожей на Солнце, 51 Пегаса. За это открытие они получили в 2019 году Нобелевскую премию по физике.
Их наблюдение за этим горячим Юпитером показало, что экзопланета имеет короткий орбитальный период - около 4,2 дня. По состоянию на 2020 год большинство экзопланет, открытых с помощью наземных исследований (таких как WASP, HATNet и т.д.), были горячими юпитерами.
Из обнаруженных на сегодняшний день горячих юпитеров около шести имеют орбитальный период менее одного дня. Эти объекты классифицируются как горячие юпитеры с ультракоротким периодом (USP). В 2020 году исследователи опубликовали статью об открытии горячего юпитера USP с самым коротким орбитальным периодом. Объект называется NGTS-10 b и имеет орбитальный период 0,77 дня - около 18 часов!
Температура поверхности
Близость горячего Юпитера к звезде-хозяину является причиной довольно экстремальных температур. Одной из особенностей горячих юпитеров является то, что они приливно-отливные, когда одна сторона всегда обращена к звезде-хозяину, а другая постоянно отвернута.
Наблюдения космического телескопа Spitzer показали, что относительно более холодные горячие юпитеры могут иметь температуру атмосферы до 700 градусов Цельсия. Более горячие версии могут иметь температуру атмосферы в диапазоне от 700 до 1 700 градусов Цельсия.
Однако существует подкласс горячих юпитеров, известный как ультрагорячие юпитеры (UHJ), с более высокими температурами. Эти экзопланеты находятся на близком расстоянии от своих звезд-хозяев, в результате чего дневные температуры превышают 2200 градусов по Кельвину, что чуть выше 2000 градусов по Цельсию (это также является определяющей чертой того, что представляет собой UHJ).
Такая экстремальная среда вызывает диссоциацию некоторых молекул, например, молекул воды (H2O), в атмосфере. Спектры этой диссоциированной молекулы воды наблюдались совсем недавно в 2021 году на UHJ WASP-76b, что подтвердило ее присутствие в атмосфере этой экзопланеты. В будущем эти спектры могут быть использованы для изучения атмосфер других UHJ, особенно молекулярных диссоциаций, и получения дополнительной информации об их свойствах.
Одним из странных открытий, касающихся температуры горячих юпитеров, является то, что все они имеют одинаковую ночную температуру. Это удивительно, поскольку различия в атмосфере, массе планет, радиусах, периодах вращения и многом другом должны были привести к разным ночным температурам. Однако оказалось, что все горячие юпитеры имеют примерно одинаковую ночную температуру - около 1100 Кельвинов.
Однако этому есть возможное объяснение. Модели, использованные для этого исследования, предполагали среду, свободную от облаков. К сожалению, моделирование облаков - сложная задача, требующая больших вычислений. Горячие юпитеры, обладающие более экстремальными атмосферами, будут иметь и более сложные облачные образования. Однако с помощью таких телескопов, как космический телескоп Джеймса Уэбба и ARIEL Европейского космического агентства, можно легко провести характеристику облаков на горячих юпитерах, особенно на их ночной стороне.
Ретроградные орбиты и орбитальные эксцентриситеты
Еще один уникальный аспект орбит горячих юпитеров заключается в том, что некоторые из них (около 25 процентов от общего числа обнаруженных), похоже, имеют ретроградные орбиты вокруг звезды-хозяина. Это означает, что направление орбиты планеты вокруг родительской звезды и вращение самой звезды движутся в противоположных направлениях. Ни одна планета в нашей Солнечной системе не имеет ретроградных орбит, то же самое можно сказать и о других экзопланетах.
Наконец, мы переходим к эксцентриситету их орбит, который определяет, насколько круговой или эллиптической кажется орбита. Значение эксцентриситета 0 означает, что орбита круговая, а значение от 0 до 1 (исключая оба числа) - эллиптическая. Эксцентриситеты орбит планет дают нам информацию об их происхождении.
Горячие юпитеры с орбитальным периодом до 3 дней обычно имеют круговой профиль орбиты. Их короткие периоды могут быть причиной неэллиптических орбит из-за эффекта, называемого быстрой приливной циркуляцией.
Приливная циркуляция относится к эффекту приливных сил, действующих между первичным объектом (например, звездой) и другим вторичным объектом, вращающимся вокруг него (например, планетой). В этом эффекте приливные силы заставляют эксцентриситет орбиты вторичного объекта уменьшаться со временем, делая ее более круговой. Этот эффект особенно силен для тех горячих юпитеров, орбитальные периоды которых составляют три дня или меньше.
Однако при орбитальных периодах от трех до десяти дней некоторые горячие юпитеры демонстрируют довольно эллиптические орбиты. Одной из причин этого является процесс, называемый приливной миграцией с высоким эксцентриситетом.
После образования экзопланет в звездной системе другая гигантская планета могла переместить горячий Юпитер на высокоэксцентричную (или эллиптическую) орбиту. Со временем эксцентриситет орбиты этого горячего Юпитера уменьшился бы из-за приливных эффектов (например, приливной циркуляции), что в конечном итоге привело бы к среднеэллиптической орбите вокруг центральной звезды. Однако не все горячие юпитеры с орбитальным периодом 3-10 дней имеют эллиптические орбиты; некоторые из них также имеют круговые орбиты.
Горячие юпитеры - одна из самых странных разновидностей экзопланет. Они также являются одними из наиболее легко наблюдаемых с помощью доплеровской техники. Необходимо попытаться понять их физические и орбитальные свойства, а также их взаимодействие со звездами-хозяевами, поскольку это поможет нам лучше понять наши теории формирования планет и звезд.
Изучение их орбит дает нам ценное представление о планетарном движении, помогая рассмотреть экстремальную природу планетарных орбит. В нашем стремлении полностью понять планеты и их движение вокруг звезд, горячие юпитеры являются важным элементом этой головоломки. С улучшением наблюдений мы сможем узнать о них больше и помочь нам построить более реалистичную картину планет и их движения.