Как горячие юпитеры оказались так близко к своей родительской звезде?

Присутствие горячих юпитеров так близко к своим родительским звездам потребовало от ученых выдвижения новых теорий, и они нашли несколько весьма вероятных.

Горячие юпитеры — одни из самых интересных и уникальных экзопланет в нашей галактике. Обладая высокой температурой поверхности, эти объекты размером с Юпитер известны тем, что вращаются необычайно близко к своим звездам-хозяевам. Эта особенность привела к появлению некоторых интригующих свойств, присущих только им!

Но как они вообще оказались в таком положении? Учитывая, что они находятся гораздо ближе, чем Меркурий к Солнцу, интересно рассмотреть, как такие гигантские объекты сформировались так близко к своим родительским звездам.

Чтобы объяснить это, давайте сначала рассмотрим те теории, которые могут объяснить их образование. Основная идея, которую следует запомнить, заключается в том, что в результате эти планеты оказываются вблизи своей родительской звезды. Три такие теории пытаются это сделать:

1. Формирование на месте
2. Миграция газового диска
3. Приливная миграция с высоким эксцентриситетом

Формирование на месте

В случае образования на месте, формирование планеты происходит в том же месте, где она находится в настоящее время, и может происходить по двум механизмам. Первый — гравитационная нестабильность. В этом случае гравитационные колебания приводят к образованию сгустков протопланетного материала (материи, оставшейся после образования звезд). Из них впоследствии образуются планеты. Второй способ — это аккреция ядра. В этом случае каменистое ядро протопланеты начнет аккрецировать газ из окружающей ее протопланетной материи.

Хотя эти два механизма хорошо объясняют образование обычных газовых гигантов, астрономы не совсем уверены, возможны ли эти процессы в случае горячих юпитеров. Основная причина в том, что горячие юпитеры лежат вблизи своих родительских звезд, и эти механизмы in situ не могут там происходить. Таким образом, кажется, что горячие юпитеры не могут формироваться на месте.

Однако в исследовании, проведенном в 2021 году, была поставлена цель выяснить, так ли это на самом деле. Объектом исследования в первую очередь стали горячие юпитеры, имеющие планетарного компаньона. Планетарный компаньон — это экзопланета, которая вращается вокруг той же звезды-хозяина, что и горячие юпитеры, и имеет орбиты, близкие друг к другу. Примерами таких систем являются WASP-47, Kepler-730 и TOI-1130.

Исследование заключалось в проведении моделирования N-тела, которое включало такие процессы, как столкновение объектов, протопланетный диск из материалов, который меняется со временем, и изменения форм и размеров орбит протопланет (недавно сформированных планет). В ходе моделирования была предпринята попытка исследовать, возможно ли образование in situ в случае горячих юпитеров с планетами-компаньонами.

Моделирование состояло из двух различных начальных условий. Одно из условий состояло из массивной новообразованной планеты, а второе состояло из нескольких менее массивных (семя-модель). Вторая состояла из нескольких протопланет одинаковой массы («модель равной массы»).

Из этих двух симуляция зародышевой модели неизменно приводила к формированию Горячего Юпитера и другого класса экзопланет, называемых Суперземлями. Между тем, модель равной массы показала, что один процент симуляций привел к образованию планеты-гиганта. Кроме того, 0,26% симуляций предполагали, что транзитные наблюдения (один из методов, используемых для обнаружения экзопланет) найдут горячие юпитеры с компаньонами — суперземлями.

Несмотря на то, что это незначительный случай, исследование моделирования 2021 года показывает, что горячие юпитеры могут формироваться на месте. Однако в большинстве случаев горячие юпитеры образуются в результате миграции газового диска или приливной миграции с высоким эксцентриситетом.

Миграция газового диска

При миграции газового диска во время формирования звездной системы планета, находящаяся в протопланетном диске, иногда возмущает газ внутри диска. Газ, в свою очередь, оказывает равную и противоположную силу на планету (третий закон движения Ньютона) и изменяет ее орбиту.

В зависимости от свойств газа в диске, включая турбулентность, вязкость и т.д., это смещение орбиты планеты может привести к тому, что она будет двигаться либо в сторону звезды-хозяина (миграция внутрь), либо в сторону от нее (миграция наружу).

Образование горячих юпитеров происходит в результате особого типа миграции, называемого миграцией типа II. В этом случае горячий Юпитер оказывает настолько сильное воздействие на окружающий газ, что создает определенный разрыв вдоль своей орбиты. Между звездой и орбитой горячего Юпитера находятся газ и другие вещества. Попадая в этот зазор, горячий Юпитер теряет свою энергию и перемещается ближе к звезде. Этот процесс продолжается и приводит к тому, что планета в конце концов оказывается очень близко к своей звезде.

Очень важно знать скорость этой миграции. Если миграция будет происходить слишком быстро, горячий Юпитер будет поглощен или уничтожен звездой. Два механизма могут уменьшить и остановить миграцию планет. Один связан с получением углового момента от звезды-хозяина, а второй — с наличием «магнитной полости» в диске.

В первом механизме приливы могут позволить планете отнять у звезды некоторый угловой момент. Это остановит дальнейшую миграцию планеты внутрь, хотя горячий Юпитер может потерять часть своей массы (оставаясь, конечно, газовым гигантом).

В сценарии с магнитополостью магнитное поле звезды создало бы щель внутри ближайшей к ней части диска. Если орбитальные скорости внутреннего края диска и Горячего Юпитера будут иметь определенное соотношение, экзопланета перестанет мигрировать внутрь.

Приливная миграция при высоком эксцентриситете

Третий теоретизированный процесс — это приливная миграция с высоким эксцентриситетом. Этот процесс состоит из двух этапов. На первом этапе возмущающий объект (например, массивная планета) переводит горячий Юпитер на высокоэллиптическую орбиту. На втором этапе из-за приливной диссипации, вызванной взаимодействием со звездой-хозяином, траектория горячего Юпитера становится более круговой, в результате чего он оказывается очень близко к этой звезде.

Приливная миграция с высоким эксцентриситетом способна переместить планету размером с Юпитер, расположенную на расстоянии нескольких астрономических единиц (АЕ) от родительской звезды, на расстояние всего в несколько сотых АЕ от звезды.

Наблюдательные доказательства механизмов образования

Хотя здесь были описаны три механизма формирования, ни один из них не может объяснить все наблюдаемые свойства горячих юпитеров. Все три механизма могут успешно объяснить некоторые особенности, например, их большие радиусы (в конце концов, это планеты-гиганты), а также их очень короткие орбиты.

Приливная миграция с высоким эксцентриситетом может объяснить некоторые качества, которые не могут объяснить два других механизма, например, эллиптические орбиты некоторых горячих юпитеров. Такие особенности, как частота появления горячих юпитеров, могут быть объяснены только с помощью механизма дисковой миграции. Как образование in situ, так и дисковая миграция могут объяснить образование особого класса горячих юпитеров, называемых горячими юпитерами типа Т Тельца.

Некоторые из открытых горячих юпитеров (около 25 процентов), по-видимому, имеют ретроградные орбиты. Это означает, что их оборот вокруг звезды противоположен направлению вращения звезды. Ни один из трех предложенных здесь методов образования не может объяснить это. В научной работе, опубликованной в 2011 году, была предпринята попытка разобраться в этой загадке.

В исследовании проведенные расчеты рассматривали влияние долгосрочных возмущений на юпитероподобное тело по трехпланетному сценарию. Предполагалось, что горячий Юпитер будет находиться между двумя планетами-возмутителями. В сочетании с действием приливных сил это в конечном итоге приводит к тому, что горячий Юпитер имеет ретроградную орбиту.

Расчеты также показывают некоторые уникальные сценарии, особенно потому, что весь этот процесс переворачивания орбиты является определенно хаотичным. Во время этого процесса эксцентриситет горячего Юпитера постоянно меняется, иногда делая его более эллиптическим, а иногда менее. Наклон орбиты тоже меняется!

Здесь мы рассмотрели, как потенциально могут формироваться горячие юпитеры. Поиск путей объяснения их возникновения очень важен для понимания физических процессов, происходящих в нашей Вселенной. Поскольку исследования экзопланет показывают новые типы планет, не встречающиеся в нашей Солнечной системе, поиск теорий, объясняющих их формирование и эволюцию, по понятным причинам является актуальной темой.

Хотя эти три механизма не могут дать полной картины, вполне вероятно, что астрономы близки к созданию объединяющей теории, которая сможет последовательно объяснить их все. Потребуется больше наблюдений и исследований экзопланет, что делает эту работу захватывающей возможностью для тех, кто все еще стремится заявить о себе в мире астрономии!