Науковці знайшли наймолодшу екзопланету-гіганта типа Юпітера, для якої вони виміряли масу та розмір.
Група астрономів, яку очолює Ольга Захожай з Інституту астрономії Макса Планка (Гейдельберґ, Німеччина) та Головної астрономічної обсерваторії НАН України (Київ, Україна), виявила екзопланету-гіганта навколо сонцеподібної зорі HD 114082. Маючи вік лише 15 мільйонів років, цей над-Юпітер є наймолодшою екзопланетою такого роду, яку вдалося виявити астрономам, а також встановити її радіус і масу. Результати науковців оприлюднив журнал Astronomy & Astrophysics.
Хоча розмір екзопаланети відповідає діаметру Юпітера, маса HD 114082 b увосьмеро перевищує значення маси Юпітера. Поєднання цих величин важко узгодити із загальноприйнятими моделями формування планет. Можливе вирішення цієї загадки ймовірно вимагати оновлення моделей формування, щоб врахувати незвичайно велике тверде планетне ядро.
«Як порівняти з нині визнаними моделями, густина HD 114082 b приблизно вдвічі — тричі вища, ніж має бути для молодої газової екзопланети-гіганта, а її вік всього 15 мільйонів років», — сказала Ольга Захожай, головний автор дослідження. Отримана середня густина цієї газової планети вдвічі більша, ніж у Землі, що справді дивно. Зрештою, Земля — планета з твердою поверхнею та із залізо-нікелевим ядром, а не з водню та гелію — найлегших елементів у Всесвіті, з яких майже повністю складається Юпітер.
«Натепер HD 114082 b є наймолодшим відомим газовим гігантом із встановленою масою та радіусом», — зазначила Захожай. Це допоможе астрономам краще зрозуміти процес формування газових гігантів.
Два різних механізми формування планет
«Ми вважаємо, що планети-гіганти можуть формуватися двома можливими способами», — сказав Ральф Лаунгардт (Ralf Launhardt), співавтор дослідження з Інституту астрономії Макса Планка. «Обидва відбуваються всередині протопланетного газопилового диска, розподіленого навколо молодої центральної зорі». Перший процес, відомий як «нарощення ядра», передбачає на першому етапі формування твердого ядра. Коли воно досягає критичної маси, його гравітація притягує навколишній газ, спричиняючи акрецію водню та гелію — це, зрештою, приводить до утворення планети-гіганта. Другий «сценарій», який назвають «нестабільність диска», передбачає існування у протопланетному диску гравітаційно нестабільних згустків щільного газу, які стискаються до стану планети-гіганта без утворення попередньо твердого ядра.
Залежно від припущень, зроблених для цих двох сценаріїв, газ має охолоджуватися з різною швидкістю. І це визначає температуру молодих газових планет-гігантів. Отже, нові планети можуть мати «холодний старт» або «гарячий старт», що приведе до помітних відмінностей. Вони потенційно можуть дати змогу астрономам розрізнити ці сценарії, особливо у тому випадку, коли йдеться про планети молодого віку.
Визнані моделі не підходять
Нині астрономи віддають перевагу сценарію акреції ядра з гарячим стартом для планет-гігантів, таких як HD 114082 b. Оскільки гарячий газ займає більший об’єм, ніж холодний, слід виміряти помітні відмінності в розмірах спостережуваних планет. Цей контраст у розмірах краще виражений для молодих планет. Однак стає менш вираженим протягом перших сотень мільйонів років охолодження, що минули після формування планети.
HD 114082 b явно не відповідає передбаченням астрономів. Значення її маси і розміру несумісні зі сценарієм гарячого старту. Натомість, здається, вона краще відповідає сценарію холодного старту. Цікаво, що трохи старші екзопланети, які вивчали в інших дослідженнях, показують таку ж поведінку. «Занадто рано відмовлятися від сценарію гарячого старту», — пояснив Ральф Лаунгардт. «Все, що можна сказати, так це те, що ми все ще не дуже добре розуміємо формування планет-гігантів». Зрозуміло, як порівняти з поточними моделями, HD 114082 b занадто мала для своєї маси. Або вона має дуже велике тверде ядро, або моделі формування планет неправильні та недооцінюють швидкість, з якою ці газові гіганти можуть охолоджуватися — або і те, й інше.
Вигода довгострокових проєктів
Відкриття HD 114082 b стало результатом великої спостережної програми під назвою RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets around Young stars — Огляд променевих швидкостей планет навколо молодих зір). Наразі у процесі її здійснення виконано 775 годин спостережень за допомогою 2,2-метрового телескопа ESO/MPG, яким управляє Інституту астрономії Макса Планка. Телескоп встановлено на майданчику Європейської південної обсерваторії (European Southern Observatory, ESO) Ла Сілла в Чилі.
Програма RVSPY, яку заплановано виконати протягом 4,5 років, є хорошим прикладом високоефективних астрономічних досліджень, які виконують на телескопах із постійним доступом протягом тривалого періоду. Такі дослідження навряд чи були б можливими з новітніми телескопами, бо час спостереження для будь-якого одного проєкту сильно обмежений через високий попит.
Науковці, які виконують RVSPY, мають на меті виявити гарячі, теплі та холодні екзопланети-гіганти навколо молодих зір. Для цього астрономи отримують спектри (розподіл світла на окремі складові, як кольори у веселки) 111 молодих зір. Крихітні періодичні зміщення в зоряних спектрах можуть вказувати на рух спостережуваної зорі вздовж променя зору спостерігача, спричинений силою тяжіння планети, що обертається навколо неї. У принципі, активність зір, наприклад пульсації або спалахи, може поставити під загрозу вимірювання, особливо у молодих зір, таких як HD 114082. Однак якість даних RVSPY достатньо хороша, щоб поза всяким сумнівом виявити сигнал, спричинений коливальними рухами зорі. Наукова група також взяла до розгляду архівні спостережні дані, отримані за допомогою інших телескопів, щоб розширити часовий відтинок, протягом якого спостерігали зорю.
Явище транзиту дало змогу завершити аналіз
Тоді як астрономи застосовують метод променевої (радіальної) швидкості (radialvelocity, RV), щоб визначити масу планети і тривалість одного оберту навколо її центральної зорі, тобто орбітальний період, вони мають застосовувати інший метод, щоб визначити її розмір. Припустимо, що орбіта планети орієнтована відносно нас (спостерігача) таким чином, що ми маємо змогу спостерігати, як вона проходить перед своєю зорею. Астрономи називають таку подію «транзитом». Коли це відбувається, то періодичне незначне зменшення зареєстрованого від зорі світла під час транзиту дозволяє прямо визначити радіус планети та допомагає уточнити її орбітальний період.
«Ми вже підозрювали, що конфігураця планетної орбіти особлива через кільце пилу навколо HD 114082, виявлене кілька років тому», — сказала Ольга Захожай. «Однак, нам пощастило знайти в спостережних даних, отриманих за допомогою TESS, ті, що дозволили побудувати прекрасну криву світла від транзиту, яка покращила наш аналіз». TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) — космічний зонд NASA, який виконує пошук екзопланет навколо зір, відносно близьких до Землі.
Крива блиску транзиту екзопланети по диску її материнської зорі. На ній показано відносне зменшення інтенсивності світла зорі через невелике затемнення, спричинене HD 114082 b під час проходження перед зорею. Ольга Захожай та її група визначили розміри планети за цим вимірюванням. Дані отримані зі супутника Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Авторські права на зображення: © Захожай та ін. (2022) / Інститут астрономії Макса Планка. Фото з сайту www.mpia.de.
Об’єднавши ці вимірювання, Захожай та її колеги виявили, що HD 114082 b обертається навколо своєї схожої на Сонце материнської зорі протягом 110 діб на відстані приблизно 0,5 астрономічних одиниць. Одна астрономічна одиниця — це середня відстань між Сонцем і Землею. Таким чином, орбіта HD 114082 b нагадує орбіту Меркурія навколо Сонця.
Потрібні кращі моделі
HD 114082 b є однією з трьох молодих планет-гігантів віком до 30 мільйонів років з відомими масами та розмірами. І всі вони, мабуть, несумісні з найпоширенішими моделями гарячого старту. Хоча астрономи поки мають низьку статистику, здається малоймовірним, що всі ці планети є винятком з правила. «Хоча для підтвердження цієї тенденції потрібно більше таких планет, ми вважаємо, що теоретикам варто почати переоцінку своїх розрахунків», — зазначила Захожай. «Це захопливо, як результати наших спостережень мають зворотній зв’язок з теорією формування планет. Вони допомагають покращити наші знання про те, як ростуть ці планети-гіганти, і підказують нам, де є прогалини в нашому розумінні процесів формування планет».
Довідкова інформація
У цьому дослідженні беруть участь дослідники Інституту астрономії Макса Планка: Ольга В. Захожай (також Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, Україна), Ральф Лаунгардт (Ralf Launhardt), Тріфон Тріфонов (Trifon Trifonov), Мартін Кюрстер (Martin Kürster), Томас Геннінґ (Thomas Henning) і Ґабріель-Домінік Марло (Gabriel-Dominique Marleau) — також Університет Дуйсбург-Ессен, Німеччина; Тюбінґенський університет, Німеччина; Бернський університет, Швейцарія).
За інф. з сайту www.mpia.de підготував Іван Крячко
