Открыта новая экзопланета, которая меняет наши представления о формировании газовых гигантов

На сегодняшний день астрономы обнаружили более пяти тысяч экзопланет. Из них 15 процентов относятся к категории газовых гигантов, имеющих массу не меньше массы Юпитера. Однако новое исследование Института астрономии имени Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге позволило обнаружить одну из них с весьма своеобразными характеристиками. Она называется HD 114082 b и имеет размеры Юпитера, но ее масса в восемь раз больше.

«По сравнению с принятыми в настоящее время моделями, HD 114082 b примерно в два-три раза слишком плотная для молодого газового гиганта возрастом всего 15 миллионов лет«, — сказала Ольга Захожай, ведущий автор исследования. Средняя плотность этой газовой планеты в два раза превышает плотность Земли, что весьма примечательно. В конце концов, Земля — каменистая планета с ядром из железа и никеля, а не состоит из водорода и гелия, самых легких элементов во Вселенной, из которых почти полностью состоит Юпитер.

HD 114082 b также является самой молодой из известных газовых планет-гигантов с установленной массой и радиусом. Этот рекорд выдвигает ее в качестве фундаментального объекта изучения в области формирования газовых гигантов в целом.

Образование газовых гигантов

Из наиболее принятых в настоящее время моделей мы знаем, что планеты-гиганты могут формироваться по двум различным сценариям. Обе они возникают внутри протопланетного диска из газа и пыли, распределенного вокруг молодой центральной звезды.

• Первый процесс, известный как аккреция ядра, включает в себя начальную фазу накопления скалистого материала, который формирует ядро. Когда она достигнет критической массы около 10 масс Земли, ее гравитационная сила притянет окружающий газ, что приведет к аккреции водорода и гелия в неконтролируемом процессе, который приведет к созданию гигантской планеты. Считается, что Юпитер и Сатурн сформировались именно в результате аккреции ядра.
• Второй процесс, называемый дисковой нестабильностью, предполагает, что протопланетный диск становится гравитационно нестабильным и частицы плотного газа начинают коллапсировать, образуя непосредственно гигантскую планету.

В зависимости от рассматриваемого сценария, газ должен остывать с разной скоростью, определяя температуру молодых планет-гигантов. В первом случае твердое ядро притягивает к себе газ через аккреционный диск. Этот процесс охлаждает газ, в результате чего он теряет большую часть своей первоначальной энтропии. В этом случае говорят о «холодном старте» планеты. В случае дисковой неустойчивости, с другой стороны, газ, который коллапсирует непосредственно с образованием гигантской планеты, сохраняет большую часть своей начальной энтропии. Поэтому она будет высокой, и планета будет характеризоваться «горячим стартом».

Ожидается, что планета-гигант, образовавшаяся в результате неустойчивости диска, будет иметь более высокую энтропию, больший радиус и более высокую эффективную температуру, чем если бы она образовалась в результате аккреции ядра. Именно поэтому астрономы предпочитают сценарий горячего старта для газовых планет-гигантов.

HD 114082 b, экзопланета, которая опровергает известные теории

Сочетание массы и радиуса планеты, изученное командой из Гейдельберга, несовместимо с моделью горячего старта. Очевидно, что по сравнению с существующими моделями HD 114082 b слишком мала для своей большой массы. Это может быть связано либо с необычайно большим твердым ядром, либо с тем, что модели неверны и недооценивают скорость, с которой эти газовые гиганты могут остывать. На самом деле, эта разница в размерах наиболее ярко выражена на ранних стадиях жизни планеты, которая становится менее значительной через сотни миллионов лет после ее образования в результате охлаждения. Когда планета-гигант остывает (т.е. теряет энтропию), ее радиус уменьшается, а эффективная температура снижается.

Открытие газового гиганта HD 114082 b стало результатом обширной программы наблюдений под названием RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets around Young Stars). В настоящее время она состоит из 775 часов наблюдений, проведенных в течение четырех с половиной лет на 2,2-метровом телескопе ESO/MPG. Он управляется MPIA на площадке Ла Силла Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили.

Целью RVSPY является обнаружение популяции горячих и холодных газовых планет-гигантов вокруг молодых звезд. Для этого астрономы используют метод радиальной скорости (VR). Она основана на движении звезды вокруг барицентра системы звезда-планета, обусловленном гравитационной силой, которую планета оказывает на звезду. Это движение может восприниматься как смещение звезды вдоль линии визирования и измеряется спектрометрами по небольшим периодическим сдвигам в звездных спектрах.

В принципе, звездная активность, пульсации и вспышки могут помешать измерениям, особенно у молодых звезд, таких как HD 114082. Однако качество данных RVSPY достаточно хорошее, чтобы обнаружить сигнал от колеблющейся звезды без сомнений. Благодаря методу радиальных скоростей астрономы могут не только обнаружить экзопланету, но и вывести ее массу и орбитальный период.

Метод транзита в качестве подтверждения

Для подтверждения существования планеты, обнаруженной методом VR, астрономы используют транзитный метод. Это имеет фундаментальное значение для определения радиуса экзопланеты, а значит, и ее размера. Транзит происходит, когда планета, совершающая орбиту вокруг своей звезды, проходит прямо перед ней в нашей прямой видимости, заслоняя ее свет. Этот метод, как нетрудно догадаться, можно использовать только для экстрасолнечных систем, которые мы можем видеть сбоку, тогда как он совершенно бесполезен, когда мы видим систему сверху.

Наглядный пример влияния транзита на поток звезды дает кривая блеска. Этот инструмент имеет решающее значение для определения радиуса экзопланеты. На самом деле, как легко догадаться, чем больше планета, тем больше света от звезды-хозяина будет заслонено. На видео ниже показана кривая блеска, вызванная прохождением HD 114082 b. Уменьшение света было измерено с большой точностью спутником НАСА Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Объединив два метода — VR и транзит, Захожай и коллеги обнаружили, что HD 114082 b вращается на расстоянии около 0,5 астрономической единицы (1 астрономическая единица — расстояние между Солнцем и Землей) вокруг звезды, похожей на Солнце, с периодом 110 дней. Таким образом, ее орбита напоминает орбиту Меркурия вокруг нашего Солнца.

HD 114082 b — одна из трех газовых планет-гигантов возрастом до 30 миллионов лет (очень молодых) с известными массами и размерами. Эти три планеты не согласуются с наиболее распространенными моделями горячего старта. Конечно, три — слишком малое число, чтобы строить на нем статистическое исследование, но кажется маловероятным, что все эти планеты имеют аномальные значения. В связи с этим Захожай отмечает:

Хотя для подтверждения этой тенденции необходимо больше таких планет, мы считаем, что теоретикам следует начать переоценку своих расчетов. Очень интересно, как результаты наших наблюдений влияют на теорию формирования планет. Они помогают улучшить наши знания о том, как растут эти гигантские планеты, и подсказывают, где кроются пробелы в нашем понимании.