Горячие юпитеры: характеристика и примеры¶

Горячие юпитеры — класс экзопланет, представляющих собой газовые гиганты, сопоставимые по массе и размерам с Юпитером, однако обращающиеся вокруг своих родительских звёзд на очень близком расстоянии. Из-за такой близости их атмосферы нагреты до экстремальных температур, что и определило их название. Горячие юпитеры стали первыми обнаруженными экзопланетами и до сих пор остаются одними из самых изученных объектов вне Солнечной системы.

¶История открытия

Первая подтверждённая экзопланета, обращающаяся вокруг солнцеподобной звезды, — 51 Пегаса b — была открыта в 1995 году швейцарскими астрономами Мишелем Майором и Дидье Кело. Эта планета, получившая неофициальное название Беллерофонт, оказалась газовым гигантом с массой около половины массы Юпитера, но при этом совершающим полный оборот вокруг своей звезды всего за 4,2 земных суток. Столь короткий период обращения стал неожиданностью для научного сообщества, поскольку по существовавшим на тот момент теориям формирования планет-гигантов подобные объекты не могли образовываться так близко к звезде.

Открытие 51 Пегаса b положило начало систематическому поиску подобных объектов. К 2024 году было подтверждено существование более 500 горячих юпитеров, что составляет значительную долю от всех открытых экзопланет.

¶Характеристики

¶Орбитальные параметры

Горячие юпитеры характеризуются чрезвычайно короткими орбитальными периодами — от нескольких часов до примерно десяти земных суток. Большая полуось их орбит обычно не превышает 0,1 астрономической единицы (то есть 10 % расстояния от Земли до Солнца). Для сравнения, Меркурий, ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы, находится на расстоянии 0,39 а. е. и совершает оборот за 88 суток.

¶Физические свойства

Несмотря на близость к звезде, массы горячих юпитеров варьируются в широких пределах — от субъюпитерианских (менее 0,3 массы Юпитера) до сверхъюпитерианских (более 10 масс Юпитера). Однако наиболее распространены объекты с массами в диапазоне 0,5–2 массы Юпитера.

Радиусы горячих юпитеров, как правило, больше радиуса Юпитера (71 492 км) и могут достигать 1,2–1,4 юпитерианских радиусов. Это связано с тепловым расширением атмосферы: интенсивное излучение звезды нагревает внешние слои планеты, заставляя их раздуваться. Некоторые горячие юпитеры, например WASP-17 b, имеют радиус почти вдвое больше юпитерианского.

¶Атмосфера и климат

Температура верхних слоёв атмосферы горячих юпитеров составляет от 1000 до 3000 К (примерно 700–2700 °C). При таких температурах в атмосферах этих планет происходят необычные процессы:

• Молекулы водорода диссоциируют на атомарный водород.
• Силикаты и металлы испаряются и присутствуют в газовой фазе.
• В атмосферах обнаружены оксиды титана и ванадия, которые эффективно поглощают видимый свет.

Из-за приливного захвата горячие юпитеры почти всегда обращены к звезде одной стороной. Это приводит к колоссальному перепаду температур между дневной и ночной сторонами, достигающему 1000 К и более. На границе освещённой и теневой полусфер формируются мощные атмосферные течения, переносящие тепло. Скорость ветров в атмосферах горячих юпитеров может достигать нескольких километров в секунду.

¶Потеря вещества

Близость к звезде и высокая температура приводят к интенсивному испарению атмосферы. Гидродинамический ветер, вызванный нагревом, уносит водород и более тяжёлые элементы в космическое пространство. У некоторых горячих юпитеров, например HD 209458 b, наблюдается формирование кометоподобного хвоста из испаряющегося газа. Оценки показывают, что за время жизни звезды горячий юпитер может потерять до нескольких процентов своей массы.

¶Механизмы формирования

Существуют две основные гипотезы происхождения горячих юпитеров:

1. Миграция. Планета формируется за пределами снеговой линии — на расстоянии, где температура позволяет конденсироваться летучим веществам, — а затем мигрирует к звезде под действием гравитационных взаимодействий с протопланетным диском или другими планетами.
2. Формирование на месте. При определённых условиях (например, в массивном протопланетном диске) газовый гигант может сформироваться непосредственно на близкой орбите.

В настоящее время большинство исследователей склоняются к первой гипотезе, поскольку формирование газового гиганта вблизи звезды затруднено из-за высоких температур и недостатка вещества.

¶Примеры известных горячих юпитеров

• 51 Пегаса b (Беллерофонт) — первая открытая экзопланета у солнцеподобной звезды, орбитальный период 4,2 суток.
• HD 209458 b (Осирис) — первая планета, у которой обнаружена атмосфера методом транзитной спектроскопии; также наблюдается испарение атмосферы.
• HD 189733 b — планета с атмосферой синего цвета, вызванного рассеянием света на силикатных частицах; скорость ветров достигает 2 км/с.
• WASP-12 b — одна из самых горячих известных планет (температура около 2500 К), постепенно разрушается приливными силами звезды.
• KELT-9 b — горячий юпитер у звезды спектрального класса B, температура дневной стороны достигает 4600 К, что выше температуры поверхности многих звёзд.

¶Значение для науки

Горячие юпитеры являются удобными объектами для изучения атмосфер экзопланет. Их большой радиус и короткий период обращения позволяют применять метод транзитной спектроскопии — наблюдение изменения спектра звезды при прохождении планеты по её диску. Благодаря этому методу в атмосферах горячих юпитеров были обнаружены водяной пар, метан, угарный газ, щелочные металлы и другие соединения.

Кроме того, изучение горячих юпитеров даёт информацию о процессах планетной миграции и динамике планетных систем, что имеет значение для понимания формирования планетных систем в целом.