Планета легче сахарной ваты: международная группа астрономов открыла уникальные экзопланеты-«супер-пуфы»

Исследование космоса с поверхности Земли всегда сталкивается с главным препятствием — земной атмосферой. Она поглощает свет, колышется от температурных перепадов и искажает изображения далеких объектов. Чтобы минимизировать эти помехи, обсерватории строят высоко в горах или выводят телескопы на орбиту. Однако существует еще одна точка на нашей планете, которая по своим астроклиматическим характеристикам приближается к космическому пространству. Это плато Купол Конкордия в Антарктиде.

Здесь, на высоте более трех тысяч метров над уровнем моря, воздух крайне разрежен, а экстремальный холод вымораживает из него практически всю влагу. Из-за отсутствия водяного пара атмосфера становится исключительно прозрачной. Но главное преимущество этой локации для исследователей экзопланет — долгая полярная ночь. Она позволяет непрерывно наблюдать за выбранными звездами на протяжении сотен часов, не прерываясь на восход солнца. Именно в этих условиях работает оптический телескоп ASTEP (Antarctic Search for Transiting ExoPlanets) с диаметром зеркала всего 40 сантиметров. Этот прибор сыграл ключевую роль в подтверждении открытия уникальной планетарной системы у звезды TOI-791.

Проблема поиска «теплых юпитеров»

На сегодняшний день астрономам известно несколько тысяч экзопланет, однако их распределение по типам крайне неравномерно. Это связано не с тем, какие планеты чаще встречаются во Вселенной, а с тем, какие из них легче обнаружить современными методами.

Наиболее простой добычей для телескопов долгое время оставались «горячие юпитеры». Это массивные газовые гиганты, орбиты которых расположены вплотную к их родительским звездам. Они совершают полный оборот вокруг светила всего за несколько дней или даже часов. Из-за близкого расстояния они сильно нагреваются, их атмосферы раздуваются, а сами планеты вызывают легко регистрируемые колебания яркости и скорости движения своих звезд.

На противоположном конце спектра находятся планеты, подобные объектам нашей Солнечной системы. Наш Юпитер совершает оборот вокруг Солнца почти за 12 лет, а Сатурн — за 29 лет. Обнаружить такие планеты у других звезд крайне сложно, поскольку для подтверждения их существования требуются десятилетия непрерывных наблюдений.

Между этими двумя группами существует промежуточный класс объектов — «теплые юпитеры». Их орбитальные периоды составляют от 20 до 300 суток. Они удалены от своих звезд на безопасное расстояние, где излучение не так разрушительно, но все еще достаточно близко, чтобы их можно было зафиксировать за разумное время наблюдений. Тем не менее, теплые газовые гиганты остаются редкой находкой. А системы, в которых транзит по диску звезды совершает сразу пара таких планет, уникальны. До недавнего времени науке было известно лишь восемь подобных систем. Открытие планет у звезды TOI-791 сделало эту систему девятой в списке.

Ограничения стандартных методов и антарктический марафон

Основным методом поиска планет для космического телескопа TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) является транзитный метод. Телескоп фиксирует падение яркости звезды в тот момент, когда перед ней проходит планета, временно затмевая часть светового потока.

Однако у этого метода есть свои физические ограничения. Чем дальше планета находится от звезды, тем ниже геометрическая вероятность того, что ее орбита окажется повернута к наблюдателю на Земле нужным боком. Кроме того, само прохождение (транзит) длиннопериодической планеты по диску звезды длится значительно дольше, чем у короткопериодической. В системе TOI-791 транзиты обеих обнаруженных планет длятся более 11 часов.

Для стандартных наземных телескопов одиннадцатичасовое наблюдение — практически невыполнимая задача. В средних широтах за это время успевает наступить день, солнце засвечивает небо, и астрономы теряют возможность следить за объектом. Космический телескоп TESS также имеет свои ограничения: он наблюдает за конкретным сектором неба в течение 27 суток, после чего разворачивается. Из-за этого единичные транзиты планет с периодами более 100 дней часто теряются в промежутках между сеансами работы или фиксируются не полностью.

Здесь и проявилось преимущество антарктического телескопа ASTEP. Во время полярной зимы, когда солнце не восходит над горизонтом неделями, прибор смог провести непрерывные измерения и полностью зафиксировать несколько транзитов обеих планет. Эти данные позволили с высокой точностью определить физические размеры небесных тел.

Как взвесить планету без измерения колебаний звезды

Для того чтобы построить модель внутреннего строения планеты, ученым мало знать ее размеры (радиус). Необходимо определить ее массу, чтобы рассчитать среднюю плотность.

Обычно массу экзопланет измеряют методом лучевых скоростей. Гравитация планеты заставляет саму звезду совершать небольшие круговые движения вокруг общего центра масс. Эти колебания фиксируют спектрографы по периодическому смещению спектральных линий звезды. Однако в случае с TOI-791 этот метод оказался бесполезен.

Звезда TOI-791 относится к спектральному классу F7. Она горячее и массивнее нашего Солнца, но ее главное свойство — очень быстрое вращение вокруг своей оси. Проекция скорости ее вращения на луч зрения составляет более 44 километров в секунду. Такое быстрое вращение приводит к физическому эффекту: спектральные линии, по которым измеряется скорость движения звезды, сильно расширяются и размываются. Точно зафиксировать слабые колебания скорости звезды, вызванные притяжением планет, на таком размытом спектре технически невозможно.

Ученым пришлось использовать альтернативный метод — анализ вариаций времени транзитов (Transit Timing Variations, или TTV). Этот метод применим только в многопланетных системах, где объекты расположены достаточно близко друг к другу.

Если  бы вокруг звезды вращалась только одна планета, ее прохождения перед диском светила происходили бы строго периодически, с точностью до секунды. Но когда в системе есть вторая планета, их взаимное гравитационное притяжение постоянно искажает их орбиты. Планеты то ускоряют, то замедляют движение друг друга. В результате транзиты происходят с отклонением от строгого графика: планета может пройти перед звездой раньше или позже расчетного времени.

В системе TOI-791 это смещение графика достигает 50 минут. Орбиты планет TOI-791 b и TOI-791 c находятся в соотношении, близком к 5:3. Это означает, что за время, пока внешняя планета делает три оборота вокруг звезды, внутренняя совершает почти ровно пять. Такое регулярное сближение в определенных точках пространства накапливает гравитационный эффект. Моделирование этих отклонений позволило ученым точно рассчитать массы обоих тел, не прибегая к спектральным измерениям колебаний самой звезды.

Физические параметры: аномалия плотности

Результаты расчетов показали, что обе планеты обладают экстремальными физическими характеристиками, которые выделяют их на фоне большинства известных экзопланет.

1. Планета TOI-791 b (внутренняя):Орбитальный период: 139,3 суток. Радиус: 0,993 радиуса Юпитера (практически равен Юпитеру).Масса: 9,5 массы Земли. Средняя плотность: 0,038 грамма на кубический сантиметр (0,038 г/см30,038г/см3).
2. Планета TOI-791 c (внешняя):Орбитальный период: 232,0 суток. Радиус: 1,155 радиуса Юпитера (несколько крупнее Юпитера).Масса: 18,6 массы Земли. Средняя плотность: 0,047 грамма на кубический сантиметр (0,047 г/см30,047г/см3)

Для сравнения физических масштабов уместно привести параметры планет нашей Солнечной системы. Средняя плотность Земли составляет 5,51 г/см³, воды — 1,0 г/см³. Средняя плотность Юпитера равна 1,33 г/см³, а самой разреженной планеты нашего семейства, Сатурна, — 0,69 г/см³.

Плотность планет в системе TOI-791 оказалась меньше 0,05 г/см³. Это примерно в двадцать раз меньше плотности воды и в четырнадцать раз меньше плотности Сатурна. Такие объекты в астрофизике относят к классу «сверхрыхлых планет» (super-puffs). По объему они сопоставимы с крупнейшими гигантами, но их масса ближе к массе ледяных гигантов вроде Нептуна (17 масс Земли).

Физические расчеты показывают, что средняя плотность этих гигантов (0,038 и 0,047 г/см³) уступает плотности обычной сахарной ваты, которая в готовом виде составляет около 0,05-0,1 г/см³. Фактически эти небесные тела представляют собой гигантские сферы из сильно разреженного водородно-гелиевого газа. Вещество в них распределено в пространстве в десятки раз свободнее, чем в атмосфере Земли или в составе Сатурна и Юпитера, что делает их одними из самых рыхлых объектов, известных астрономам.

Теоретические модели строения

Существование планет с такой низкой плотностью на относительно небольшом расстоянии от активной звезды ставит перед учеными сложные физические вопросы. Как такие объекты могли сформироваться и почему их внешние газовые оболочки до сих пор не рассеялись под воздействием излучения звезды?

В настоящее время астрофизики рассматривают две основные научные гипотезы, объясняющие строение этих планет.

Гипотеза сверхмассивных газовых оболочек

Согласно этой модели, планеты состоят из относительно небольшого твердого ядра (массой в несколько масс Земли), окруженного колоссальной атмосферой из водорода и гелия. На долю этого легкого газа приходится более 20% от общей массы каждой планеты.

В рамках стандартной теории планетарного формирования (модели аккумуляции ядра) накопить такую массу легкого газа планета может только на ранних этапах развития звездной системы, находясь далеко за пределами «снеговой линии» — области, где летучие вещества находятся в замороженном состоянии. Там планеты быстро набрали массу за счет ледяных планетезималей, притянули огромные объемы окружающего газа из протопланетного диска, а затем постепенно мигрировали ближе к звезде, заняв свои текущие орбиты. Низкая плотность объясняется тем, что этот холодный газ при формировании не подвергался сильному гравитационному сжатию из-за сравнительно малой массы твердого ядра.

Гипотеза скрытых кольцевых систем

Существует альтернативное объяснение, которое не требует присутствия экстремально раздутых атмосфер. Физический радиус планеты рассчитывается на основе того, сколько света звезды она блокирует во время транзита.

Если планета окружена широкой и плотной системой колец (подобно кольцам Сатурна), но эти кольца наклонены под большим углом к плоскости орбиты и повернуты к нам своей плоскостью, они будут блокировать свет звезды вместе с телом планеты. При обработке данных транзита астрономы увидят глубокое падение яркости и рассчитают радиус объекта, исходя из предположения, что перед ними единая сплошная сфера. В результате расчетный радиус окажется завышенным, а вычисленная на его основе плотность — искусственно заниженной. Сама планета при этом может иметь вполне стандартную плотность Нептуна или Урана.

Значение открытия для науки и будущие исследования

Система TOI-791 представляет собой редкую природную лабораторию. Поскольку обе планеты сформировались в одном и том же протопланетном диске и вокруг одной звезды, сравнение их физических характеристик позволяет исключить влияние внешних факторов и изучать чистые эволюционные процессы.

Главная цель будущих исследований этой системы — спектральный анализ их атмосфер. И здесь экстремально низкая плотность планет играет на руку ученым.

Из-за слабой гравитации на поверхности этих планет и их умеренной температуры (около 100-150 градусов Цельсия) их газовые оболочки не сжаты, а сильно растянуты в пространстве. В астрофизике это свойство описывается понятием «высота однородной атмосферы». Чем выше этот показатель, тем более прозрачной для излучения становится внешняя кромка атмосферы планеты во время транзита.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже запланирован для проведения сеансов трансмиссионной спектроскопии системы TOI-791. Свет звезды, проходя сквозь раздутые газовые оболочки планет TOI-791 b и c, будет поглощаться различными химическими элементами. Анализ этого поглощения позволит точно определить химический состав атмосфер, найти следы воды, углекислого газа, метана, а также подтвердить или опровергнуть гипотезу существования колец.

Открытие системы TOI-791 показывает, что процессы формирования планет могут приводить к конфигурациям, принципиально отличающимся от строения нашей Солнечной системы. Изучение таких аномальных объектов помогает откалибровать компьютерные модели эволюции звездных систем и лучше понять физику поведения газов в экстремальных условиях космического пространства.

Источник: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society