Новая техника использует данные ALMA для определения массы и датировки экзопланет

Используя наблюдения радиоинтерферометра ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimetre Array), группа исследователей разработала новый метод измерения массы и возраста экзопланет, вращающихся вокруг молодых звезд.

Когда эти планеты за пределами Солнечной системы вращаются на большом расстоянии от своей родной звезды, их идентификация путем прямого наблюдения практически невозможна, как и их характеристика. Однако, наблюдая ураганоподобные возмущения в околозвездном диске, окружающем молодые звезды, можно установить ограничения на массу и возраст экзопланет. Это дает представление о свойствах вероятных орбитальных планет и процессе их формирования.

В двух отдельных статьях, опубликованных в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, описывается метод, разработанный Романом Рафиковым, профессором Кембриджского университета, и его аспирантом Николасом Цимерманом. Цель исследования — определить предельные значения массы и возраста экзопланет, ответственных за формирование вихрей в диске.

Образование вихрей в околозвездных дисках

Молодая звезда окружена диском из газа и пыли. Согласно процессу, известному как аккреция ядра, частицы в этой структуре агрегируются под действием гравитации, порождая более массивные объекты, такие как астероиды и планеты. Присутствие этих объектов внутри околозвездного диска видно благодаря так называемым провалам, которые образуются в кольцевой структуре, также наблюдаемой ALMA.

Помимо этих следов, данные телескопа с высоким разрешением позволили выявить дугообразные структуры, которые можно интерпретировать как скопления пыли, в областях, прилегающих к провалам, вырытым планетами. Как и разрывы, они также могут быть обусловлены присутствием планеты.

Среди наиболее интригующих объяснений присутствия этих дуг — механизм, включающий образование пылевых вихрей, вызванных неустойчивостью на краях провалов. Эта неустойчивость известна как волновая неустойчивость Россби (RWI). Вихри, похожие на небольшие ураганы, могут сливаться в процессе эволюции планетарной системы, образуя более крупные структуры, формируя дуги или сгустки, которые появляются в наблюдениях ALMA. Во время формирования планеты вокруг молодой звезды область, вокруг которой вращается планета, постепенно очищается. Внутри зазора плотность ниже, чем за ее пределами. Эта разница в плотности, продолжая увеличиваться, вызывает RWI, который разрушает диск и создает вихри.

Даже планеты с относительно небольшой массой, например, десятая часть массы Юпитера, могут образовывать видимые дыры в диске. Благодаря исследованию Рафикова и Цимермана стало возможным определить пределы массы, а также возраст гипотетических планет, расположенных на больших расстояниях от звезды, которые вызывают эти небольшие ураганы в диске.

Пределы массы планет, ответственных за вихри

Метод, разработанный Рафиковым и его аспирантом, основан на теоретических расчетах по измерению времени, необходимого для образования вихря, вызванного формированием планеты в диске. Чем массивнее планета, тем меньше времени требуется для возникновения нестабильности, которая приводит к возникновению вихря из-за большей гравитации планеты. Это значение времени полезно для определения массы и возраста планеты, ответственной за образование вихря на краю разрыва. Речь идет, в частности, о методах, известных под английским названием «vortex weighing» и «vortex dating», то есть соответственно взвешивание и вихревое датирование.

Что касается взвешивания вихрей, то, зная возраст центральной звезды, можно установить минимальный предел на массу планеты. Этот расчет, в частности, основан на двух соображениях:

• Возраст планетарной системы, который предполагается известным, очевидно, больше, чем возраст формирующейся планеты.
• Наличие наблюдаемых вихрей предполагает, что возраст планеты больше, чем время, необходимое для образования этих вихрей в результате нестабильности, вызванной формированием самой планеты.

Если бы масса формирующейся планеты уже была известна благодаря методам моделирования атмосферы для видимой планеты или косвенным динамическим измерениям, можно было бы определить предельный возраст планеты. Однако для планет, ответственных за вихри, наблюдаемые ALMA, эта информация недостаточно точна.

Хорошая оценка возраста экзопланеты очень полезна по нескольким причинам. Действительно, это позволило бы:

• Понять время, необходимое для формирования планеты из пыли и газа околозвездного диска.
• Проверьте постоянство характеристик планеты в ходе ее эволюции, таких как температура и светимость. На самом деле, возраст планеты влияет на обе эти величины.

Однако исследования, проведенные Рафиковым и Цимерманом, не определяют обязательного значения планетарного возраста в настоящее время. Для его улучшения, на самом деле, необходимо определить более точное максимальное значение массы рассматриваемой планеты путем прямых наблюдений за телом. Последние, однако, сложны, особенно для малых планет, находящихся далеко от центральной звезды в системе, к которой они принадлежат.