Меркурій є чемпіоном зі швидкості в нашій Сонячній системі. Він обертається навколо Сонця кожні 88 днів, а його середня швидкість становить 47 км/с. Його середня відстань від Сонця становить 58 мільйонів км (36 мільйонів миль), і він настільки швидкий, що названий на честь Меркурія, бога-крилатого.
Але що, якби замість Меркурія Юпітер був найближче до Сонця? А що, якби Юпітер був навіть ближче до Сонця, ніж Меркурій, і набагато гарячіший?
У віддаленій сонячній системі, на відстані приблизно 855 світлових років від нас, є планета, завдяки якій Меркурій здається повільним, холодним, далеким сусідом Сонця. Ця планета обертається навколо своєї зірки всього за 16 годин, що дає їй одну з найкоротших орбіт, коли-небудь вимірюваних. На такій відстані та швидкості, а також з надзвичайно високими температурами поверхні планети, це одна з найбільш екзотичних планет, коли-небудь знайдених.
Назва планети TOI-2109b, і це те, що астрономи називають «Ультрагарячим Юпітером». Гарячі Юпітери — це газові гіганти, які обертаються надзвичайно близько до своїх зірок і мають надзвичайно високі температури поверхні. Ультрагарячі Юпітери ще більш екстремальні. Температура їх поверхні перевищує 2200 Кельвінів (1900 C, 3500 F). Астрономи підрахували, що денна температура TOI-2109 b перевищує 3500 K (3225 C, 5840 F), що так само гаряче, як деякі маленькі зірки.
Нова стаття, опублікована в The Astronomical Journal, представила відкриття. Назва газети «TOI-2109: надгарячий газовий гігант на 16-годинній орбіті. ” Головний автор – Ян Вонг, який зараз працює в NASA Goddard Space Flight Center, але постдок у MIT під час цього дослідження.
NASA TESS ( Транзитний оглядовий супутник екзопланет ) знайшов планету в травні 2020 року. TESS почав спостерігати за нею 13 травня і спостерігав майже місяць. Протягом наступного року кілька наземних обсерваторій проводили подальші спостереження на різних довжинах хвиль. Всі ці спостереження підтвердили, що TOI-2109b є рідкісною і незвичайною планетою.
'Все відповідало тому, що це планета, і ми зрозуміли, що у нас є щось дуже цікаве і відносно рідкісне», – сказав співавтор дослідження Аві Шпорер з Інституту астрофізики та космічних досліджень Кавлі Массачусетського технологічного інституту.
16-годинний орбітальний період TOI-2109 b є найкоротшим, коли-небудь виміряним для газового гіганта. (В попередній рекордсмен має 18-годинну орбіту.) Планета приблизно в п’ять разів більша за наш Юпітер, і вона обертається навколо Зірка F-типу приблизно в 1,5 рази масивніший за наше Сонце. Важко уявити, як би виглядала така схема для будь-якого спостерігача в тій же системі.
Враження художника про транзитну екзопланети з масою Юпітера навколо зірки, яка трохи більша за Сонце. Автор зображення: NASA
Планета така гаряча, тому що вона в середньому знаходиться всього на 2,4 мільйона км (1,5 мільйона миль) від своєї зірки. Він, ймовірно, припливно прив’язаний до своєї зірки, як і інші Гарячі Юпітери та Ультрагарячі Юпітери. Надзвичайно висока денна температура може розірвати молекули на складові атоми. Теоретичне моделювання показує, що це може статися з молекулярним воднем. Якщо нічна сторона значно прохолодніша, водень може знову об’єднатися в молекули.
Місяць спостережень TESS означав, що команда могла спостерігати за планетою, коли вона обертається навколо своєї зірки. Вони спостерігали вторинне затемнення — коли планета проходить за своєю зіркою — у кількох довжинах хвиль. Це допомогло їм визначити, що денна температура, ймовірно, перевищує 3500 К. Але дослідники не впевнені, що відбувається вночі, оскільки TESS недостатньо чутливий. Якщо правда, що молекулярний водень розривається вдень і рекомбінує на нічній стороні, то це може сприяти більш ефективному змішуванню температури в атмосфері і може означати, що температура не така екстремальна.
«Між тим, яскравість нічної сторони планети нижча за чутливість даних TESS, що викликає питання про те, що насправді там відбувається», – сказав Шпорер. «Там температура дуже низька, чи планета якось бере тепло з денного боку і передає його на нічну? Ми тільки на початку намагаємося відповісти на це питання для цих ультрагарячих Юпітерів».
Дослідники виявили, що TOI-2109b повільно рухається до зірки зі швидкістю приблизно від 10 до 750 мілісекунд на рік. Астрономи знайшли інші гарячі Юпітери, орбітальний розпад яких притягує їх до своїх зірок, але не так швидко, як цей.
Концепція художника про екзопланету розміром з Юпітер, яка обертається відносно близько до своєї зірки (він же «гарячий Юпітер»). Авторство: NASA/JPL-Caltech)
Екстремальний характер TOI-210 b допомагає підтвердити статус Ультрагарячих і Гарячих Юпітерів як одного з найбільш екстремальних типів екзопланет. Більш потужні телескопи розкриють більше природи планети, і команда сподівається, що Хаббл зможе вивчити її разом із космічним телескопом Джеймса Вебба, який незабаром буде запущено. Спостерігати за тим, що відбувається, коли планета все ближче і ближче наближається до зірки, особливо цікаво астрономам.
«Ультрагарячі Юпітери, такі як TOI-2109b, становлять найбільш екстремальний підклас екзопланет», - говорить Вонг. «Ми тільки почали розуміти деякі унікальні фізичні та хімічні процеси, які відбуваються в їхніх атмосферах — процеси, які не мають аналогів у нашій власній Сонячній системі».
Майбутні спостереження за TOI-2109b також можуть виявити підказки щодо того, як такі запаморочливі системи взагалі виникають. «З початку екзопланетної науки гарячі Юпітери вважалися диваками», — каже Шпорер. «Як планета така масивна й велика, як Юпітер, досягає орбіти, яка триває лише кілька днів? У нашій Сонячній системі нічого подібного немає, і ми розглядаємо це як можливість вивчити їх і допомогти пояснити їх існування».
У далекому минулому Юпітер міг мігрувати на відстані 1,5 а.о. від Сонця, перш ніж повернути курс на орбітальний шлях, яким він йде зараз. Це називається Велика гіпотеза Така . Це було б те, що можна було б побачити людським очам.
Незабаром після формування Юпітер мігрував до Сонця. Сатурн теж зробив, і врешті-решт їхні долі зв'язалися. Коли Юпітер був приблизно там, де зараз Марс, пара повернулася і відійшла від Сонця. Вчені назвали це «Великим галсом», посиланням на вітрильний маневр. Авторство: NASA/GSFC
Знаходження екстремальних і незвичайних екзопланет вчить нас багато про різноманітність типів планет. Дослідження екзопланет виявляють багато гарячих юпітерів і ультрагарячих юпітерів, тому що вони величезні та близькі до своїх зірок. Але насправді їх мало.
Автори вказують на те, що лише близько 0,5% сонячних зірок містять ці крайні планети. Але незважаючи на те, що їх кількість невелика, вони роблять величезний внесок у наше розуміння екзопланет загалом. «Їх великий розмір по відношенню до зірок-господарів і високі температури дозволяють проводити широкий спектр інтенсивних досліджень, які виходять далеко за межі рудиментарних вимірювань маси та радіуса планети», — пояснюють автори.
«Протягом останніх двох десятиліть широкий арсенал методів спостережень був використаний для детального дослідження атмосферних властивостей гарячих Юпітерів», — пишуть вони у своїй роботі. Такі речі, як розподіл температури, хімічний склад, хмари конденсату, фотохімічні тумани та механізми перенесення тепла, стають легшими для вивчення.
Астрономи дізнаються, що ультрагарячі Юпітери «... характеризуються низкою різних фізичних і динамічних властивостей, які відрізняють їх від решти популяції гарячих газових гігантів».
Жодна стаття про екзопланети не може бути повною без огляду на космічний телескоп Джеймса Вебба. JWST матиме можливість досліджувати атмосферу екзопланет більш ретельно, ніж будь-який інший інструмент, який зараз є в розпорядженні астрономів.
Частина пошуку та вивчення екзопланет зосереджена на пошуку планет, подібних до Землі, у зонах, придатних для життя. Але ультрагарячі Юпітери, такі як TOI-2109b, можуть навчити нас багато чого про планети в їх найекстремальнішому стані, а також про взаємодії планет із зіркою, які ми не можемо вивчати в нашій Сонячній системі. І JWST зробить значний внесок у наші знання.
«Хоча майбутні досягнення телескопів дозволять проводити порівняно глибокі дослідження менших і холодніших екзопланет, ультрагарячі Юпітери залишатимуться одними з найбільш плідних кандидатів для ефективних зусиль з визначення характеристик, надаючи вирішальне уявлення про природу планет у найбільш екстремальних їх проявах. », – пишуть автори.