Как раскалить планету до 10 000 градусов? Сибирские физики разгадали загадку самой горячей экзопланеты

Тяжело пережили аномальную жару в Москве? Есть отличный способ почувствовать себя лучше. Просто прочитайте о планете, где температура в 100 раз выше, а с неба капает расплавленный металл. Сразу станет как-то прохладнее, обещаем. Когда мы думаем о планетах, в голове обычно всплывают картинки из нашего тихого, почти пасторального Солнечного семейства. Каменные шарики вроде Марса, гигантские и полосатые, как Юпитер. Всё чинно, благородно, более-менее привычно. Но представьте себе ад. А теперь забудьте. Потому что планета KELT-9b — это не просто адская баня. Это мир, где в атмосфере летают испарившиеся железо, титан и другие металлы. Мир, который настолько горяч, что заставляет некоторые звёзды выглядеть прохладными.А разобраться в том, что там вообще происходит, и почему эта планета не испарилась, смогли физики из Сибири. Знакомьтесь, KELT-9b Давайте сразу к делу, чтобы вы поняли масштаб катастрофы. KELT-9b — это так называемый «ультрагорячий юпитер», который находится в созвездии Лебедя, примерно в 670 световых годах от нас. И он по всем параметрам «слишком». Для начала, её температура на дневной, вечно освещённой стороне, в среднем около 4000 °C, а в пике доходит до 10 000 °C. Это, на минуточку, горячее, чем поверхность многих звёзд-красных карликов. Наше Солнце, для сравнения, имеет температуру поверхности около 5500 °C.Такая адская жара объясняется её орбитой. KELT-9b находится в тридцать раз ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, и год там длится всего полтора земных дня. Планета буквально облизывает своё светило, из-за чего попала в приливный захват (как с Луной и Землёй: одна сторона планеты вечно смотрит на звезду, и на ней царит вечный жаркий день). Ну и наконец — её атмосфера. Из-за чудовищного нагрева и относительно низкой (для такого гиганта) гравитации, она раздулась до невероятных размеров и простирается на 300 тысяч километров в космос — это втрое больше радиуса самой планеты (у нашего Юпитера атмосфера — так, тонкая плёночка).В чём подвох? Вот тут как раз самое интересное. Звезда KELT-9 (та, что жарит планету) — не какой-то сверхактивный монстр, она довольно спокойная. И главное — её жесткое излучение (XUV — от англ. _extreme ultraviolet, ультрафиолетовое излучение высокой энергии_ — и рентгеновское), которое обычно и сдувает атмосферы с подобных планет, оказалось очень слабым. По всем стандартным моделям, такой звезде не хватило бы мощности разогреть атмосферу KELT-9b до наблюдаемых 4000-10000°C.Откуда же берётся такая огромная температура? Сибирская модель Новосибирские физики из Института лазерной физики СО РАН под руководством Ильфана Шайхисламова и Станислава Шарипова не стали гадать. Они взяли все известные данные наблюдений (включая спектры, показывающие следы водорода, кислорода и даже тяжёлых металлов в атмосфере KELT-9b) и запустили вычисления на суперкомпьютерах. Так они создали первую полноценную 3D-модель верхних слоев атмосферы этой планеты, при этом учли то, что другие часто упрощали. Типа квантовых процессов — как именно возбуждаются и ионизируются (теряют электроны) атомы водорода, причём не только в основном состоянии, но и на возбуждённых уровнях.Плюсом в модель отправилось влияние других элементов (кислород, магний, углерод) и разные физические условия: близость звезды, её приливные силы, растягивающие планету, и даже слабый звёздный ветер. Главная цель — понять, какой спектр (световой отпечаток) оставит такая атмосфера. Ведь именно по нему мы и судим о далёких мирах. Когда KELT-9b проходит на фоне своей звезды, её атмосфера работает как фильтр, пропуская свет одних длин волн и поглощая другие. Модель должна предсказать этот рисунок поглощения.Если он совпадёт с тем, что видят реальные телескопы — бинго, модель верна. Главное открытие И вот что выдала их модель, перелопатив терабайты данных: оказалось, что главный нагреватель атмосферы KELT-9b — не XUV-излучение. Но почему же тогда она так греется? А дело в том, что атмосфера и так раскалена до тысяч градусов (спасибо близости звезды). Атомы водорода в ней постоянно сталкиваются и возбуждаются (электроны прыгают на более высокие уровни).Тем временем звезда обрушивает на планету огромный поток VUV-фотонов (это ультрафиолет с чуть большей длиной волны, чем у жёсткого XUV, но энергии все равно дофига). И эти VUV-фотоны бьют не по спокойным атомам в основном состоянии, а по тем самым уже возбужденным атомам водорода. Они эффективно выбивают электроны с высоких уровней. Этот процесс фотоионизации с возбуждённых уровней создает мощнейший дополнительный канал нагрева. Выбитый фотоэлектрон летит с большой энергией, сталкивается с другими частицами — и вуаля, температура атмосферы взлетает до запредельных значений, которые не объяснить одним только XUV.И это меняет правила игры в аэрономии горячих планет. Бонус Кстати, модель новосибирцев объяснила не только температуру, но и данные наблюдений о составе атмосферы. Да, там действительно есть кислород и целый зоопарк металлов: титан, кремний... и даже тербий! Это самый тяжёлый элемент, когда-либо найденный в атмосферах экзопланет.Только вот кислород здесь — не признак жизни, а просто случайный элемент. Его наличие, как и других элементов, — важный индикатор для проверки и настройки моделей. Что с того? Итак, ещё одна загадка разгадана. Что из этого следует? Самое главное — сибиряки доказали, что для ультра-горячих юпитеров у звёзд типа А (как KELT-9) VUV-нагрев через возбуждённые состояния водорода — главная причина. Раньше на это смотрели в лучшем случае краем глаза. Теперь это основа (я бы даже сказал база).А таких адских миров, как KELT-9b, WASP-33b, KELT-20b, открыто уже немало, и телескопы находят всё больше. И вот теперь есть рабочий инструмент — понимание этого VUV-механизма — чтобы изучать их атмосферы и эволюцию. Типа: как такие планеты вообще оказались так близко к звездам? Они там родились? Вряд ли, звезда бы съела планету, когда та ещё не появилась. Скорее всего планета появилась далеко, а потом мигрировала — модель даёт тому подтверждение, что критично для общей картины образования планетных систем.Но есть и другая, куда более захватывающая причина. Методы, код и подходы, которые оттачиваются на таких «простых» (в плане отсутствия жизни) и экстремальных мирах — это наш ключ к изучению планет, похожих на Землю.Ведь чтобы найти иголку (признаки жизни) в стоге сена (космосе), нужно сначала научиться виртуозно разбираться в устройстве самого стога. Научившись идеально понимать сигналы от таких вот планет, мы сможем с гораздо большей точностью искать в атмосферах других, более спокойных миров, слабые следы кислорода, метана или воды — те самые биомаркеры. Кто знает, что нас ещё ждёт? И дело даже не в рекордах температуры.А в том, что такие исследования расширяют горизонты. Они показывают, насколько Вселенная сложнее, изобретательнее и страннее наших самых смелых теорий. Планета горячее звезды? Ну вот вам, пожалуйста. И понять, как это работает, смогли учёные из нашего Новосибирска. Такие дела.