Некоторые планеты, подходящие слишком близко к своей звезде, испаряются, оставляя за собой хвост, подобно кометам. Как показывают наблюдения и расчеты, от такой судьбы не застрахованы и каменные планеты – самые маленькие из них могут испариться целиком.

Ближайшая к Солнцу планета – Меркурий – по меркам многих других планетных систем очень далека от светила. Настолько, что температура на ее дневной стороне составляет не более полутысячи градусов, что позволяет поверхности быть хотя и убийственно жаркой для нас, но – оставаться твердой, практически не подверженной звездному «выветриванию», хотя этот процесс и вносит небольшой вклад в формирование тончайшей атмосферы Меркурия.

Однако в других системах можно видеть совершенно другие, невероятные картины, еще несколько десятилетий назад появлявшиеся только у фантастов (да и то не часто): испаряющиеся планеты. Ультрафиолетовое излучение звезд разгоняет частицы верхних слоев атмосферы близких газовых гигантов – так называемых «горячих Юпитеров» — до скоростей, превышающих скорость убегания (около 60 км/c). В результате каждую секунду планеты теряют порядка десятков-сотен тысяч тонн вещества. Но для таких огромных тел эти потери несущественны – за всё время своего существования они «худеют» всего на один процент исходной массы. Но – подобные кометным хвостам шлейфы утекающей атмосферы «горячих Юпитеров», слегка затеняющие свет звезды, уже зарегистрированы космическим телескопом «Хаббл». Более легкие планеты – суперземли – могут полностью лишиться легкой водородной атмосферы за счет испарения звездным ультрафиолетом (по-видимому, подобные объекты также обнаружены – например, объект Kepler-11b).

А что же с совсем маленькими каменными планетами, подобными Меркурию или Марсу? Если они подходят слишком близко к звезде, то их поверхность нагревается более чем до двух тысяч градусов – при этой температуре испаряются даже горные породы. Если же масса планеты мала, то этот «каменный» пар может разгоняться до скоростей, превышающих скорость убегания. То есть – каменная планета будет испаряться.

И один такой объект уже известен. В 1500 световых годах от нас, в созвездии Лебедя находится звезда KIC-12557548 – оранжевый карлик спектрального класса К. Вокруг нее на расстоянии около 2 млн километров вращается планета KIC-1255b, ее год длится всего 15,7 часов. Сама звезда находится в созвездии Лебедя на расстоянии 1500 световых лет от нас. Для сравнения – Меркурий вращается на расстоянии около 60 млн километров от Солнца, а полный оборот делает за 88 суток. Наблюдения за затмениями планетой звезды показали периодические колебания степени поглощения света, которые были интерпретированы как результат тянущегося за планетой газопылевого хвоста. Нагретые до двух тысяч градусов горные породы испаряются, образуя атмосферу из магния, кремнезема, а также атомарного и молекулярного кислорода – подобный состав был показан ранее для подобных горячих планет. Звездный ветер «сдувает» эту атмосферу, которая образует хвост. Расширившись, хвост охлаждается – и испарившиеся горные породы конденсируются. Анализ изменения блеска звезды показал, что нынешняя скорость потери вещества планетой – порядка одной массы Земли за миллиард лет (около триллиона тонн в год).

Видимо, вдохновленные этой картиной, ученые из Университета Калифорнии в Беркли построили модель, подробно описывающую всю судьбу «горячих» каменных планет, определяемую поведением газопылевого хвоста.

Как оказалось, планетам с массой, превышающей 0,08 масс Земли (чуть менее двух Меркуриев) ничего страшного не грозит: они испаряются так медленно, что и за десять миллиардов лет практически не изменят свою массу. Меньшие же планеты за несколько миллиардов лет достигнут критического порога около 0,04 масс Земли, после которого начнется катастрофическое испарение – и они исчезнут за короткое время порядка десятков-сотен миллионов лет.

Зависимость массы (в массах Земли) испаряющихся каменных планет от их возраста (в миллиардах лет). Черной линией отмечена планета с временем жизни в 5 млрд лет, примерно соответствующая KIC-1255b.

Высокая скорость испарения KIC-1255b, согласно модели, указывает на то, что планета как раз находится в этой катастрофической фазе. Ученым удалось реконструировать ее историю. Родившись около пяти миллиардов лет назад планета,  в 0,07 массы Земли (чуть больше Меркурия) потеряла уже 80% своей массы – теперь она сравнима с Луной. До полного исчезновения ей осталось всего около 70 миллионов лет.

Каменная планета, потерявшая четыре пятых своей массы, вполне вероятно, представляет собой уже «голое» железное ядро. Ученые учли и этот вариант. Как оказалось, поначалу такое ядро испаряется быстрее за счет более высокого давления железных паров, но по мере уменьшения массы такое ядро должно испаряться медленнее – всё-таки атмосфера из паров железа достаточно тяжела. Как оказалось, эти два процесса примерно уравновешивают друг друга — и на оценки массы и времени жизни KIC-1255b разночтения между двумя вариантами модели принципиально не влияют. Авторы надеются, что будущие спектральные исследования покажут, из чего же состоит хвост – из железа или силикатов.

Доля света звезды, поглощаемая хвостом планеты, колеблется в десять раз – от 1,3% до 0,2%. Качественно это явление было объяснено в прошлом году Раппапортом и др., описавшим эту планету. Подробная физическая модель хвоста позволила подтвердить его предположение. В кратце, ситуация выглядит следующим образом. На стадии высокой скорости потери массы богатый сконденсировавшейся пылью хвост затеняет поверхность планеты от звездного света, в результате чего на ней холодает и планета вступает в фазу низкой скорости потери массы. Слабо подпитываемый хвост рассеивается – и планета снова открывается звездным лучам, которые продолжают потихоньку выжигать ее. Не все испаряющиеся планеты будут показывать такие колебания – для этого период «обновления» хвоста должна примерно совпадать с периодом обращения планеты, как в случае с KIC-1255b.

Как часто встречаются подобные планеты-кометы? В определенном смысле астрономам повезло – ведь катастрофическая фаза испарения длится всего около одной семидесятой от всего времени жизни планеты. Если дальнейшие исследования охотящегося за планетами телескопа «Кеплер» не выявят подобных примеров, то долю оранжевых карликов с подобными «сверхгорячими Меркуриями» можно оценить в 0,6%.

С 1995 года астрономы начали открывать удивительный мир экзопланет. Буквально истекающие «кровью» планеты – еще одно открытие, о котором нельзя было подумать, смотря на нашу родную Солнечную систему.

Работа принята к публикации в журнале
Monthly Notes of Royal Astronomical Society.

Материал к публикации подготовил Сергей Лысенков