Атмосфера міні-Нептуна відкриває його міграційну історію

Нещодавні дослідження, що стосуються гарячої Юпітера та її супутника у вигляді міні-Нептуна, свідчать про те, що ці екзопланети, ймовірно, сформувалися на значно більших відстанях від своєї зірки, ніж їхня нинішня конфігурація. Це дослідження опубліковане в The Astrophysical Journal Letters.

Зірка TOI-1130, що має вік 8,2 мільярда років і масу 0,7 маси Сонця, розташована приблизно за 190 світлових років від Землі. Вона демонструє рідкісну архітектуру, в якій співіснують гаряча Юпітер і міні-Нептун на більш внутрішній орбіті. Така архітектура є цікавим випадком для вивчення сценаріїв формування та міграції планет. У 2020 році Челсі Хуан та її колеги виявили цю незвичну пару планет за допомогою телескопа TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), аналізуючи криві транзиту зірки TOI-1130. Дослідники виявили два сигнали, що відповідають міні-Нептуну та гарячій Юпітері з періодами обертання приблизно чотири та вісім днів відповідно.

Внутрішня планета, TOI-1130b, є світом розміром з Нептун, з періодом обертання 4,1 дні та температурою поверхні 527 °C. Вона в 3,65 рази більша за Землю і має масу близько 0,17 маси Юпітера.

Зовнішня планета, TOI-1130c, є гарячою Юпітерою з періодом обертання 8,4 дні та температурою поверхні 364 °C. Її маса становить приблизно 0,97 маси Юпітера, а радіус — 1,5 радіуса Юпітера.

Гарячі Юпітери зазвичай не мають супутників на більш внутрішніх орбітах. Через свою масу та гравітаційні ефекти ці планети здатні дестабілізувати та розсіювати близькі об'єкти, тому виживання супутника на внутрішній орбіті накладає серйозні обмеження на сценарії формування та динамічну еволюцію системи.

Міні-Нептуни, за визначенням, менш масивні за Нептун і зазвичай описуються як планети, багаті на леткі речовини, з домінуючою газовою оболонкою над більш щільним ядром. Вони є одними з найчастіше виявлених екзопланет у Чумацькому Шляху, хоча жоден аналог не існує в Сонячній системі. Внаслідок цього та з огляду на їх високу частоту, їх часто вважають "стандартним" класом серед екзопланетних популяцій.

Саугата Барат (MIT) та його колеги представили нові спектроскопічні вимірювання атмосфери міні-Нептуна, отримані за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба. Автори зазначають, що це перше визначення складу атмосфери для міні-Нептуна, що обертається всередині орбіти гарячої Юпітери. Отримані результати важко узгодити зі сценарієм формування на дуже малих відстанях від зірки, який, скоріше за все, призвів би до оболонки, домінованої легкими газами. Натомість дослідники схиляються до гіпотези про первинну акрецію в більш холодних регіонах протопланетного диска з подальшою міграцією всередину.

Згідно з їхніми даними, міні-Нептун і гаряча Юпітер, ймовірно, сформувалися в холодній зоні протопланетного диска, де вони поступово акретували лід та інші леткі сполуки, формуючи атмосферні оболонки, багаті на важкі елементи. Подальша повільна та спільна орбітальна міграція привела обидва об'єкти до зірки, зберігаючи їх близькість та обмежуючи атмосферну ерозію.

Ці результати надають спостережні дані, що підтверджують формування деяких міні-Нептунів за межами лінії льоду, яка визначається як мінімальна відстань до зірки, за якої температура диска є достатньо низькою для ефективної конденсації води у формі льоду.

Отримання корисних спостережень вимагало точної визначеності моментів транзиту. Хоча більшість екзопланет мають майже регулярні періоди обертання, міні-Нептун та гаряча Юпітер TOI-1130 ускладнюють справу, оскільки вони знаходяться в резонансі: їхні взаємодії призводять до змін у часах транзиту, що ускладнює прогнозування епhemeris та планування спостережень телескопа Вебба.

Команда зібрала всі доступні історичні спостереження для розробки динамічної моделі, що має на меті передбачити сприятливі геометричні конфігурації, зокрема проходи перед зіркою, для забезпечення якісного спектрального збору даних телескопом Вебба.

На основі цього моделювання вдалося провести спектроскопічні спостереження обох планет у відповідних орбітальних фазах. Багатодовжина хвиль Вебба дозволяє використовувати сигнатури поглинання на специфічних довжинах хвиль для визначення хімічного складу атмосфери.

Спектри транзиту показали сигнатури поглинання, що відповідають наявності H2O, CO2 та SO2, а також, в меншій мірі, CH4. Виявлення цих сполук, що важчі за водень або гелій, свідчить про значне збагачення атмосфери TOI-1130b важкими елементами.

Таке збагачення атмосфери леткими сполуками узгоджується зі сценарієм, згідно з яким TOI-1130b акретувала значну частину льоду та летких сполук у холодній зоні протопланетного диска, потенційно за межами лінії льоду. У цьому контексті подальша міграція всередину могла супроводжуватися частковою сублімацією акретованого льоду, що підживлює нинішню присутність водяної пари та інших кисневих сполук, які спостерігаються. Крім того, співіснування міні-Нептуна всередині з гарячою Юпітерою забезпечує динамічні обмеження для цієї міграції: воно сприяє відносно м'яким шляхам еволюції (міграція, зумовлена протопланетним диском, або синхронізована міграція), які повинні бути сумісні з збереженням внутрішнього супутника.

Комбінація виявлених сполук (зокрема H2O, CO2 та SO2) та відсутність домінуючої сигнатури легких газів приводять Барата та його колег до висновку про атмосферу міні-Нептуна з високою металевістю, що важко пояснити при формуванні виключно in situ на дуже малих відстанях від зірки.

Однак це тлумачення залишається залежним від припущень атмосферних моделей (термічна структура, опакності, можливість присутності аерозолів/хмар) та від неоднозначностей між молекулярними концентраціями, загальною металевістю та фотохімічними ефектами на короткій орбітальній періоді. Зокрема, ідентифікація SO2 та обмеження на CH4 можуть залежати від ефективного спектрального покриття Вебба, від співвідношення сигнал/шум та обробки зіркових ефектів (активність, неоднорідності поверхні) під час транзитів.

Додаткові спостереження, зокрема додаткові транзити за допомогою Вебба або з землі, а також вимірювання радіальних швидкостей для обмеження мас та ексцентриситетів, дозволять перевірити надійність сценарію формування за межами лінії льоду та міграції, а також дослідити резонансну динаміку системи. Загалом, вивчення аналогічних систем (внутрішній міні-Нептун, що співіснує з гарячою Юпітерою) надасть порівняльний контекст для оцінки частоти таких архітектур і різноманітності шляхів міграції, сумісних із виживанням близьких планет.

TOI-1130b є першим випадком, що накладає обмеження на моделі формування міні-Нептунів та міграції гарячих Юпітерів. Це свідчить про те, що акреція летких сполук у зовнішніх регіонах протопланетного диска, з подальшою малодисипативною еволюцією орбіти, може призвести до спостережуваної планетарної архітектури.