Новая статья, возглавляемая профессором Университета Йорка, опубликована сегодня в журнале Nature Astronomy. В работе представлена простая теоретическая модель для описания эволюции системы «внутренняя часть — атмосфера» горячих скалистых экзопланет, известных как «планеты-лавовые миры».
Чарльз-Эдуар Букаре, доцент кафедры физики и астрономии Университета Йорка в Факультете наук, говорит: «Планеты-лавовые миры находятся в таких экстремальных орбитальных конфигурациях, что наши знания о скалистых планетах в Солнечной системе напрямую неприменимы. Это оставляет учёных в неведении относительно того, чего ожидать при наблюдении за планетами-лавовыми мирами».
Моделирование предлагает концептуальную основу для интерпретации их эволюции и предоставляет сценарии для изучения их внутренней динамики и химических изменений с течением времени. Эти процессы, хотя и значительно усилены на планетах-лавовых мирах, по своей сути аналогичны тем, которые формируют скалистые планеты в нашей Солнечной системе.
Планеты-лавовые миры — это миры размером с Землю или крупнее, вращающиеся очень близко к своим звёздам-хозяевам, совершая оборот менее чем за один земной день. Подобно Луне Земли, они, как ожидается, будут приливным образом заблокированы, всегда обращены одной стороной к своей звезде. Их дневные поверхности достигают таких экстремальных температур, что силикатные породы плавятся — и даже испаряются — создавая условия, не похожие ни на что в нашей Солнечной системе. Эти экзотические миры, легко наблюдаемые из-за их чрезвычайно короткого орбитального периода, дают уникальное представление об основных процессах, формирующих эволюцию планет.
Исследование объединяет знания в области геофизической гидродинамики, экзопланетных атмосфер и минералогии, чтобы изучить, как меняется состав планет-лавовых миров в процессе, подобном дистилляции. Когда породы плавятся или испаряются, такие элементы, как магний, железо, кремний, кислород, натрий и калий, распределяются по-разному между паром, жидкостью и твёрдыми фазами. Уникальная конфигурация орбит планет-лавовых миров поддерживает равновесие между паром и жидкостью, а также между твёрдым и жидким состоянием в течение миллиардов лет, что приводит к долгосрочной химической эволюции.
Статья «Роль внутренней динамики и дифференциации на поверхности и в атмосфере лавовых планет» написана в соавторстве с Дафне Лемаскерье (Университет Сент-Эндрюс), Николя Б. Коуэном (Университет Макгилла), Лизой Данг (Университет Ватерлоо), Анри Самюэлем, Джеймсом Бадро, Орелиеном Фалько и Себстьяном Шарнозом (Университет Париж Сёйт).
Используя беспрецедентное численное моделирование, команда предсказывает два конечных состояния эволюции:
Букаре объясняет, что это исследование экзопланет-лавовых миров началось как весьма исследовательская работа с небольшими первоначальными ожиданиями. Она основана на новом подходе к моделированию, который он разработал для изучения расплавленных скалистых планет в сотрудничестве с коллегами из Института физики земного шара в Париже, Университет Париж Сёйт, опубликованном в журнале Nature ранее в этом году.
То, что начиналось как исследовательская работа, открыло многообещающее новое направление исследований. Прогнозы, изложенные в этой работе, помогли обеспечить 100 часов времени наблюдения на космическом телескопе Джеймса Уэбба (JWST) — самом совершенном инфракрасном телескопе, когда-либо созданном, с 6,5-метровым сегментированным зеркалом и сверхчувствительными инструментами, способными исследовать самые ранние галактики и атмосферы далёких экзопланет с беспрецедентной точностью. Эти предстоящие наблюдения JWST под руководством соавтора профессора Данг напрямую проверят теоретическую основу, предложенную в этом исследовании.
«Мы очень надеемся, что сможем наблюдать и различать старые планеты-лавовые миры от молодых. Если мы сможем это сделать, это станет важным шагом на пути к выходу за рамки традиционного моментального снимка экзопланет», — говорит Букаре.
Предоставлено Университетом Йорка.