Экзопланеты – планеты, которые находятся вне Солнечной системы – являются одними из наиболее привлекательных объектов для астрономов. Некоторые из них могут быть внешне похожими на Землю и потенциально являются источниками жизни, а некоторые поражают своими размерами и структурой.

Отдельное место в классификации экзопланет занимают так называемые «горячие Юпитеры», – это экзопланеты, которые по размеру приблизительно равны нашему Юпитеру, но при этом расположены очень близко к своим звездам. В среднем, период обращения таких планет вокруг звезды составляет до 10 дней, а из-за их близости к звездам они и получили название «горячие».

Планеты складываются из остатков газопылевого диска, образовавшего молодую звезду. В Солнечной системе они выстроены в понятном порядке: более тяжелые элементы, такие как кремний или железо, находились ближе к звезде и сформировали внутренние каменистые планеты; легкие – превратились в далекие и массивные газовые гиганты. Но из тысяч экзопланет в других системах большую часть составляют «горячие юпитеры», находящиеся на чрезвычайно близких к своим звездам орбитах.

Маленькая буква в слове «юпитеры» – не опечатка: так называют целый класс планет – газовых гигантов за пределами Солнечной системы. Они сравнимы по размеру с нашим Юпитером, но находятся значительно ближе к своим звёздам.

Обычно год на таких планетах длится меньше десяти дней. Они добавляют периодическую составляющую к движению своей звезды, либо заставляют её «мелькать», проходя между нею и телескопом, благодаря чему их и обнаруживают. Горячие юпитеры составляют значительную долю среди известных нам экзопланет, поскольку из-за их размеров и близости к их звездам подобные астрономические эффекты особенно заметны.

В 1995 году астрономы из Швейцарии открыли первую планету в другой звездной системе – у такого же, как Солнце, желтого карлика в созвездии Пегаса. Сначала думали, что она похожа на Землю, но вскоре поняли: планета 51 Пегаса b ближе к своей звезде, чем даже Меркурий. Период обращения – всего четыре дня. Масса – половина юпитерианской, а размеры, вероятно, гораздо больше. По сути, исполинский горящий газовый шар.

Это было потрясение. Раньше считали, что другие планетные системы похожи на нашу. У нас газовые планеты-гиганты – очень далеко от Солнца. Для сравнения: у Юпитера период обращения – более четырех тысяч дней. А тут всего четыре! Из-за близости к родительской звезде температура на поверхности там достигает тысячи градусов. Потом обнаружили еще такие же. Сейчас их порядка пятисот из четырех тысяч открытых экзопланет.

Горячие юпитеры назвали в честь крупнейшей планеты Солнечной системы. По современным представлениям, подобные гиганты образуются за линией снегов – там, где конденсируются газ и вода. У нас эта граница проходит между Марсом и Юпитером. Почему же это правило не действует для его горячих далеких собратьев?

По основной гипотезе, они мигрировали. Большой вопрос – почему. Возможно, несколько планет-гигантов, сформировавшихся на окраинах, начинают перемещаться из-за резонансного взаимодействия. Другой механизм – торможение в остаточном газопылевом облаке. В пользу миграции говорит то, что целый ряд горячих юпитеров находится на эллиптических, вытянутых орбитах. Иногда они сильно наклонены к плоскости эклиптики. Впоследствии из-за приливного воздействия звезды орбиты становятся круговыми.

Несколько лет назад в Швейцарии предложили модель формирования горячих юпитеров: возникает уплотнение вещества и притягивает к себе падающие на звезду газ и пыль. В принципе такой сценарий возможен, но пока в нем много неопределенных параметров, которые нужно уточнять. Ученые склоняются к тому, что горячий юпитер сформировался далеко от звезды, затем мигрировал, тормозя в газопылевом диске.

Гигантские горячие юпитеры – крупнейшие из экзопланет. Их и открыли первыми, потому что своей массой они возмущали орбиту родительской звезды. Ее пульсацией это объяснить не получалось, оставался один вариант – планета поблизости.

Еще один метод наблюдений – прохождение планеты по диску звезды (транзит). Ученые долго не могли понять, почему, когда горячий юпитер только приближается к диску, но не перекрывает его, яркость звезды падает. Скорее всего, у планеты есть газовая оболочка из водорода, край которой первым наползает на диск. Благодаря таким затмениям удалось рассмотреть структуру и изучить свойства экзотических атмосфер.

Горячие юпитеры расположены ближе к родительским звездам, чем какие-либо из известных планет. Это противоречит существующим представлениям об образовании планетных систем.

У примерно четверти из них газовые оболочки вытянуты. По идее, горячие юпитеры должны в итоге сбросить газ на звезду и погибнуть. Но поскольку это планеты-гиганты, сильная гравитация и запасы газа в атмосфере, несмотря на высокую скорость ее потери, обеспечивают достаточно продолжительное время жизни. Возможно, у горячих юпитеров есть силикатные или железные ядра – проверить это пока нельзя.

Горячие юпитеры крайне важны для проверки современных теорий формирования планетных систем. В дальнейшем все, что мы разработаем для их исследования, применим к субнептунам и суперземлям. Главная же задача – найти планеты в зоне обитаемости звездных систем. Статистика утверждает, что они существуют. Затем в их атмосферах будем искать биомаркеры жизни.

Надежды возлагают на новые инструменты, ведь горячие юпитеры, в отличие от других экзопланет, легче наблюдать – они огромные и близко к звезде. А это дает в разы больше возможностей для проверки гипотез и моделей.

Горячие юпитеры – класс экзопланет с массой порядка массы Юпитера (1,9⋅10²⁷ кг). В отличие от Юпитера, который находится на расстоянии 5 а.е. от Солнца, типичный горячий юпитер находится на расстоянии порядка 0,05 а.е. от звезды, то есть на один порядок ближе, чем Меркурий от Солнца и на два порядка ближе, чем Юпитер.

Горячие юпитеры в своё время занимали существенную долю списка открытых экзопланет, так как их проще всего обнаружить, поскольку они вносят заметные короткопериодические возмущения в движение звезды, которые могут быть обнаружены по смещению линий спектра. Кроме того, довольно велика вероятность прохождения планеты перед диском звезды, что позволяет оценить размер планеты по уменьшению светимости звезды.

Согласно системе Сударского, горячие юпитеры относятся к IV-V классам. Нагревание поверхности до температуры 1000-1500 К (а иногда и почти до 3000К), обусловленное близким расположением к звезде, вызывает дополнительное тепловое расширение, так что радиусы подобных планет больше, чем у аналогичных, но расположенных на бо́льшем расстоянии от родительской звезды. Эксцентриситет орбиты обычно близок к нулю, поскольку уменьшается из-за действия приливных сил.

Считается, что возле самой звезды недостаточно материала для образования планет. Все планеты этого типа образовались во внешней части системы, а потом мигрировали к центру из-за торможения в газопылевом диске.

Существует также подкласс горячих юпитеров, именуемый короткопериодическими горячими юпитерами. Они представляют собой «горячие-горячие» юпитеры, то есть наиболее близкие к звёздам горячие юпитеры. Период вращения таких планет вокруг звезды составляет 1-2 дня, а температура может часто достигать 2000°C (при этом температура поверхности самой звезды часто лишь в 2-3 раза больше температуры поверхности планеты). Наиболее горячим короткопериодическим горячим юпитером (а также самой горячей известной экзопланетой) является планета WASP-33 b.

При очень малом расстоянии до звезды и не очень большой массе планеты (меньше 2 масс Юпитера) планета не удерживается своей гравитацией от разогрева, что приводит к её сильному термическому расширению и падению плотности до экстремально низких значений. Такая планета скорее представляет собой газовое облако, нежели полноценную планету и называется рыхлой планетой.

Ученые пока не могут понять, как образовались такие космические объекты. Сейчас господствует гипотеза миграции, согласно которой, газовые гигантские планеты образуются вдали от своих звезд, а затем каким-то образом приближаются к ним. Хотя в последнее время появились и альтернативные точки зрения. Согласно одной из них, горячие юпитеры формируются сразу вблизи звезд в результате столкновения молодых каменных планет и никуда не мигрируют.

Разгадать загадку горячих юпитеров взялись астрономы из NASA. С помощью космического телескопа Spitzer они наблюдали планету HD 80606b, расположенную в 190 световых лет от Земли. Планету относят к горячим юпитерам, но нетипичным. Она движется по большой эксцентрической орбите, то подходя к звезде, то удаляясь, подобно комете. Проход по орбите занимает у нее 111 дней. Когда планета приближается к звезде, та ее сторона, которая повернута внутрь орбиты, быстро нагревается до температуры в более чем 1100 градусов Цельсия.

Считается, что HD 80606b находится в процессе миграции с более длинной орбиты к более короткой и типичной для горячего юпитера. Согласно общепринятой гипотезе образования горячих юпитеров, газовые гиганты на удаленных орбитах могут под действием притяжения притягиваться к звезде, и через какую-нибудь сотню млн лет их орбита становится более короткой и круговой.

Как считает ведущий автор статьи Джюлиен де Вит (Julien de Wit) из Массачусетского технологического института, слова которого цитирует сообщение, и его коллеги, HD 80606b приближается к звезде. Изучая ее, астрономы смогут протестировать гипотезы образования горячих юпитеров.
Телескоп Spitzer взялся за изучение планеты HD 80606b в 2009 году. Сейчас он сделал более детальные замеры объекта, наблюдая за ним непрерывно в течение 85 часов. К тому же возможности следить за экзопланетами у Spitzer были улучшены. Ученые получили данные о температуре планеты, о скорости нагрева и остывания, периодичности вращения вокруг своей оси.

Основной вопрос, который волновал астрономов – как долго HD 80606b будет мигрировать от эксцентрической к круговой орбите? Оказалось, что процесс циркуляризации орбиты (таким термином обозначается это явление) займет больше времени, чем рассчитывали теоретически: более 10 млрд лет. Получается, что миграционный механизм, рассматриваемый ранее, может быть неподходящим для объяснения образования горячего юпитера, полагают авторы исследования.

В этой работе впервые измерили скорость вращения экзопланеты, движущейся вокруг солнцеподобной звезды. Spitzer измерил изменение яркости планеты HD 80606, когда она вращалась вокруг оси. Период вращения составляет 90 часов. Это гораздо медленнее, чем предсказывалось ранее. Так что теперь перед астрономами возник еще один вопрос – почему планета так медленно вращается?

«Горячими юпитерами» называют планеты, размер которых можно сравнить с размерами пятой планеты Солнечной системы и при этом имеют очень высокую температуру поверхности. Ученые выдвинули гипотезу, что они увеличились до таких размеров за счет появления в их недрах электрических токов, разогревающих внутренности этих небесных тел. Это пока единственное объяснение такого огромного диаметра горячих планет, который никак не объясняется существующими теориями.

На данный момент «горячие юпитеры» составляют большую часть всех планет, найденных за пределами Солнечной системы. Некоторые эксперты предполагают, что такой результат связан с тем, что современные приборы пока не позволяют надежно искать планеты меньших размеров.

Многие из этих небесных тел обращаются очень близко к своим звездам, которые разогревают их до очень высоких температур. В результате «горячие юпитеры» «раздуваются», однако размер многих из них превосходит пределы, постулируемые в рамках современных моделей эволюции планет этого типа.

Авторы новой работы предположили, что аномальное «распухание» больших планет связано с тем, что при высоких (выше 1,5 тысяч кельвинов, или 1,2 тысячи градусов Цельсия) температурах происходит ионизация атомов таких элементов как натрий и калий. То есть молекулы теряют свои внешние электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. В результате составляющий планету газ начинает проводить электрический ток.

Дующие на планете ветра разносят носителей заряда, приводя к появлению петлеобразных токов (такая форма объясняется наличием у «горячих юпитеров» магнитного поля), которые проникают глубоко в недра. Материал планеты создает сопротивление, и в итоге внутренности «горячих юпитеров» дополнительно разогреваются.

Недавно другой коллектив астрономов представил доказательства того, что «горячие юпитеры» могут уничтожать в своих планетных системах небесные тела размером с Землю.
Из-за этих экстремальных свойств их проще других обнаруживать у далеких звезд. Ученым известно немало экзопланет, относящихся к этому классу. Но большинство из них обречены: по новым данным, приливные силы материнской звезды редко оставляют им шанс на долгую и спокойную жизнь, довольно активно разнося их на куски.

На самом деле, еще только приступая к поиску экзопланет в скоплениях, насчитывающих многие миллионы звезд, ученые ожидали чего-то большего. Однако каждая такая находка становится настоящим событием: за чуть более десятка лет поиска открыто порядка 500 таких тел. К примеру, исследование шарового скопления 47 Тукана, охватившее 34 тыс. звезд, по расчетам, должно было принести несколько десятков новых планет. Но не нашлось ни единой.

Этому предложено несколько объяснений. Во-первых, для планет подобные неупорядоченные скопления – не лучшее место; высокая плотность звезд создает крайне неспокойную обстановку. Во-вторых, 47 Тукана (как и другие аналогичные скопления) отличаются низким содержанием металлов (напомним, что в астрономии металлами условно называют все элементы тяжелее водорода и гелия), которые и служат основным материалом для формирования планет.
    
А недавно появилось и третья причина. Недавнее исследование показало, что и в 47 Тукана, и в подобных ему скоплениях вполне могло быть немало «горячих юпитеров». Они все просто погибли. Колоссальная мощь гравитационных взаимодействий огромной газовой планеты, вращающейся очень близко к еще более огромной звезде, создает разрушительные приливные силы, противостоять которым пухлые и горячие великаны не в силах.

Напомним, что приливные силы появляются при движении любого достаточно протяженного тела в любом неоднородном силовом поле (будь то поле электромагнитное или гравитационное). Упрощенно говоря, сила, действующая со стороны поля на одну часть тела, отличается от силы, действующей на другую. Это вызывает в теле напряжение и деформацию.

Этот механизм не только приводит к появлению приливов и отливов натЗемле, но и, по мнению некоторых ученых, подогревает один из спутников Сатурна («Лед плюс трение»). Эти же силы разрушают крупные кометы, оказавшиеся слишком близко к Солнцу или тому же Юпитеру.

Итак, по мере того, как крупный «горячий юпитер» движется по своей низкой орбите вокруг звезды, его гравитация порождает на поверхности светила своего рода «цунами», волну вещества, притянутого планетой и движущуюся вслед за ней – с некоторым, конечно, опозданием. Этот процесс понемногу отбирает энергию вращающегося тела, и планета подходит еще ближе к звезде. «Цунами» на ней становится выше и отбирает еще больше энергии, планета еще больше опускается...

Процесс может продолжаться миллиарды лет, пока планета окончательно не рухнет на поверхность звезды или, что более вероятно, не будет разорвана на куски колоссально возросшими приливными силами.

Такая картина получилась у исследователей, проведших моделирование действия приливных сил на условный «горячий юпитер», расположенный в скоплении 47 Тукана. Исходя из известных размеров и массах представленных здесь звезд, ученые подсчитали наиболее вероятные положения и орбитальные характеристики планет – и, действительно, практически ни одна из них не протянула долго и была разрушена.

Точнее говоря, к тому моменту, когда смоделированное скопление достигло 1 млрд лет от роду, в нем погибло уже около трети «горячих юпитеров». А ведь это очень юный возраст; даже Солнечная система насчитывает 4,5 млрд лет, а само 47 Тукана, по оценке ученых, старше 11 млрд лет. К этому возрасту, как показало моделирование, должно исчезнуть более 96% его планет. Неудивительно, что обнаружить ничего не удается.