Výzkumy v ASU AV ČR (259): Strategie pro charakterizaci vypařování planetárních atmosfér

V současnosti je astronomům známo již přes pět tisíc planet obíhajících jiné hvězdy než Slunce. Předtím, než byly planety skutečně objeveny, se odborníci domnívali, že jiné systémy budou velmi podobné Sluneční soustavě. Realita ale ukazuje spíše opak – že extrasolární planetární systémy jsou od toho našeho velmi odlišné. Byly tak definovány celé třídy nových typů planet. Vyjma malých kamenných planet zemského typu, plynných obrů a ledových obrů, které známe ze Sluneční soustavy, jsou pak ve vesmíru běžné superzemě, minineptuny, horké jupitery a další. Zdá se, že téměř všechny neptuny, jupitery a superjupitery mají rozsáhlé vodíkové atmosféry. Vypadá to skutečně tak, že téměř všechny planety hmotnější než 1,8násobek hmotnosti Země jsou obklopeny vzdušnými obaly.

Zatímco ale atmosféry planet Jupiterova typu představují značný zlomek hmotnosti planety, u minineptunů tvoří vodíkovo-héliová atmosféra jen asi jedno až dvě procenta hmotnosti. Minineptuny jsou tedy zřejmě spíše kamenným planetami s vodíkovými atmosférami. Navíc, přinejmenším několik známých minineptunů má tzv. hybridní atmosféru, tedy vodíkovo-héliovou s výraznou příměsí těžších prvků. 

Naproti tomu planety s menší hmotností nacházející se na těsných oběžných drahách kolem své mateřské hvězdy jsou kamenné bez atmosfér. Překvapivě jsou však hmotnosti takových superzemí srovnatelné s hmotnostmi minineptunů. Proč mají některé málo hmotné planety atmosféry a některé ne? 

Zdá se, že odpovědí na hledanou otázku by mohl být vliv rentgenového a extrémního ultrafialového záření centrální hvězdy, které by mohlo velmi efektivně atmosféru planety erodovat. Mezi exoplanetami je známo několik exemplářů, u kterých se aktivní ztráta látky pozoruje. Těmi nejlépe prozkoumanými jsou horké jupitery HD 209458b a HD 189733b. Ve spektrech zde byl detekován atomární vodík mimo Rocheův lalok, přičemž odhadnutá rychlost ztráty hmoty činí asi deset tisíc tun látky za sekundu. V lidských měřítkách je to obrovské číslo, ale v měřítkách exoplanet to znamená, že tito zástupci ztratí asi tisícinu své hmotnosti za miliardu let. 

Jenže, pakliže atmosféry minineptunů činí jen zlomek hmotnosti planety, stejný mechanismus eroze tvrdým zářením mateřské hvězdy by měl mnohem významnější dopady. Zde je třeba také vzít v úvahu, že množství tvrdého záření se mění s vývojovou fází hvězdy. Slunci podobné hvězdy vyzařují v rentgenovém a extrémním ultrafialovém oboru zejména, když jsou mladé. Z toho vyplývá, že i případná eroze planetárních atmosfér probíhá nejefektivněji hned v počátcích existence planetární soustavy. Odhady naznačují, že ke kompletnímu odstranění atmosféry málo hmotné planety by mohlo v těchto podmínkách postačit jen pár milionů let. 

Autoři článku, mezi nimi Petr Kabáth z Astronomického ústavu Akademie věd, se zabývali potenciální pozorovací strategií, která by mohla vést k odhalení planet, aktuálně ztrácejících atmosféru. Klíčem by mohlo být studium tranzitujících planet v ultrafialové oblasti spektra, kde zřejmě zákryt trvá déle (v některých případech až třikrát déle) než v optické oblasti. Tato skutečnost naznačuje přítomnost plynné obálky přesahující Rocheův lalok. Navíc tato rozptýlená látka pohlcuje záření ve spektrálních čarách vápníku a hořčíku. Tyto čáry jsou obvykle indikátory stelární aktivity vzdálené hvězdy. Protože je látka rozptýlená podél oběžné dráhy nerovnoměrně, síla vápníkových a hořčíkových čar by se měla v čase měnit. Dodatečná informace o charakteru látky by mohla být poskytnuta dalšími spektrálními čarami, například vodíkovou čárou Hα nebo sodíkovou čárou D. 

V příštích letech bude do kosmu vypuštěn nový hledač extrasolárních planet, mise PLATO 2.0. Ten bude hledat planety i u jasných hvězd. Vybrané pozorovací pole na jižní polokouli obsahuje přes 9000 hvězd jasnějších než 11 magnitud. V tomto poli by sonda měla systematicky pozorovat přinejmenším dva roky. Lze tedy očekávat, že bude objevena celá řada nových planet, u nichž by mohlo docházet k vypařování atmosféry. 
PLATO však na tuto problematiku samo o sobě odpověď nedá. To bude úkolem pro následná spektroskopická pozorování z pozemních dalekohledů. ASU je součástí konzorcia observatoří PLATOSpec, majících k dispozici na dnešní poměry malé dalekohledy vybavené dostatečně citlivými spektrografy. Ty jsou pro charakterizaci vypařujících se atmosfér dostačující. Není zde přetlak zájemců o pozorovací čas, jako u největších dalekohledů. A tak jsou teleskopy s průměrem objektivu kolem dvou metrů velmi vhodnými pro systematickou práci, která je na osmimetrech nemyslitelná.  

REFERENCE

E. Günther, L. Fossati, P. Kabáth, The evaporation of planetary atmospheres, Contrib. Astron. Obs. Skalnaté Pleso v tisku, preprint arXiv:2311.02965

KONTAKTY

Dr. Petr Kabáth
petr.kabath@asu.cas.cz
Stelární oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Stelární oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.