Китайские и индийские астрономы были первыми, кто точно измерил наклон оси Земли, и сделали это около 3000 лет назад. Их измерения были удивительно точными: в 1120 году до нашей эры китайские астрономы определили наклон оси Земли в 24 градуса. Теперь мы знаем, что все планеты Солнечной системы, за исключением Меркурия, имеют некоторый наклон.
Пока астрономы ломают голову над тем, почему планеты нашей Солнечной системы наклонены, оказывается, что это вполне нормально.
Теперь, когда астрономы наблюдали так много других солнечных систем, они поняли, что наклон оси следует ожидать даже в так называемых «нетронутых» солнечных системах. Нетронутый относится к точным математическим отношениям между планетами.
Новое исследование, опубликованное в «Астрономическом журнале», объясняет, почему следует ожидать некоторого осевого наклона. Он называется «Доказательства низкоуровневого динамического возбуждения в околорезонансных экзопланетных системах». Ведущий автор — Малена Райс, доцент кафедры астрономии Йельского факультета искусств и наук.
Концепция орбитального резонанса лежит в основе этого исследования.
Когда планеты вращаются вокруг звезды, они могут оказывать регулярное и периодическое гравитационное влияние друг на друга. Когда это происходит, астрономы говорят, что они находятся в резонансе друг с другом. Это также происходит в лунных системах вокруг планет с множеством спутников. Некоторые резонансные системы могут быть самостабилизирующимися, тогда как другие могут со временем стать нестабилизированными.
В начале истории Солнечной системы планеты с большей вероятностью находились в резонансе друг с другом.
«Такой тип конфигурации, при котором орбита одной планеты точно упорядочена по отношению к орбите другой в точном целочисленном соотношении орбитальных периодов, вероятно, часто встречается в Солнечной системе на ранних этапах ее развития», — сказала Райс. «Это великолепная конфигурация, но лишь небольшой процент систем сохраняет ее».
«Учитывая, что почти резонансные системы, вероятно, претерпели минимальные динамические нарушения, спин-орбитальная ориентация этих систем определяет типичные результаты формирования спокойных планет, а также изначальное распределение звездных наклонностей», — пишут авторы в своем исследовании. Спин-орбитальная ориентация — это наклон орбит планет-компаньонов относительно оси вращения родительской звезды.
Это сводится к тому, что в системе, которая претерпела мало сбоев, как, например, мигрирующие планеты, вращение-орбита и осевой наклон планет в системе должны быть в значительной степени неизменными с момента формирования. Но проблема в том, что астрономы не измерили строго спин-орбитальную ориентацию околорезонансных систем.
«На сегодняшний день лишь у нескольких почти резонансных систем были измерены углы спин-орбит, чтобы охарактеризовать наклоны составляющих их планетарных орбит», — объясняют авторы в своем исследовании.
В своей работе исследователи начали с изучения теплого Юпитера под названием TOI-2202 b. Это почти резонансная планета, лишь немного менее массивная, чем Юпитер. Она вращается вокруг звезды К-типа на расстоянии около 770 световых лет от нас. TOI-2202 b находится близко к своей звезде, на расстоянии всего 0,09564 а.е., и совершает оборот по орбите всего за 11,9 дней. Для сравнения: Меркурий находится на расстоянии 0,387098 а.е. от Солнца.
TOI-2202 b находится в нетронутой солнечной системе и находится в резонансе среднего движения 2:1 с другой планетой, расположенной дальше от звезды. Исследователи сравнили это с архивными данными и новыми наблюдениями экзопланеты с нескольких телескопов. Они достигли угла вращения орбиты около 31 градуса. Затем они сравнили это с полной переписью других подобных планет в нетронутых системах, найденной в Архиве экзопланет НАСА.
«Чтобы поместить это измерение в контекст, мы исследовали полный набор транзитных экзопланетных систем с (1) измерением спин-орбиты, проецируемым в небо, и (2) доказательством того, что транзитная планета находится вблизи резонанса среднего движения низкого порядка с соседний компаньон», — объясняют авторы в своем исследовании.
Они обнаружили, что планеты в этих нетронутых системах имеют типичный угол вращения орбиты около 20 градусов. Таким образом, даже «тихие» солнечные системы имеют осевой наклон. TOI-2202 b была одной из наиболее сильно наклоненных планет в выборке. «Измеренный угол спин-орбиты TOI-2202 b, вместе с полным набором измерений спин-орбиты для почти резонансных экзопланет, указывает на то, что даже сформировавшиеся в состоянии покоя системы могут испытывать низкоуровневое динамическое возбуждение, которое приводит к некоторой дисперсии в их спин-орбитах. ориентации орбиты», — пишут авторы.
Это показало исследователям, что наклон планет нашей Солнечной системы является нормой, а не странным явлением.
«Это обнадеживает», — сказала Райс. «Это говорит нам о том, что мы не являемся сверхстранной солнечной системой. Это действительно похоже на то, как если бы мы посмотрели на себя в зеркало и увидели, как мы вписываемся в более широкую картину Вселенной».
Однако в нашей Солнечной системе есть один чудак: Уран. Угол наклона Урана составляет 97,77 градусов, что почти параллельно плоскости Солнечной системы. Астрономы не уверены, но вероятной причиной является столкновение с протопланетой размером с Землю в первые дни существования Солнечной системы.
Одна из областей исследований Райс касается горячих юпитеров и того, почему они имеют такие выраженные наклоны осей. «Я пытаюсь выяснить, почему системы с горячими Юпитерами имеют такие сильно наклоненные орбиты», — сказала Райс. «Когда они успели опрокинуться? Могут ли они просто родиться такими? Чтобы выяснить это, мне сначала нужно выяснить, какие типы систем не подвержены столь резким изменениям».
Этот поиск продолжается.
