Кредит: Unsplash/CC0 Общественное достояние
Горячие Юпитеры — одни из самых экстремальных планет в галактике. Эти раскаленные миры столь же массивны, как Юпитер, и они вращаются очень близко к своей звезде, совершая оборот за несколько дней по сравнению с неторопливой 4000-дневной орбитой нашего газового гиганта вокруг Солнца.
Ученые подозревают, однако, что горячие Юпитеры не всегда были такими горячими и на самом деле могли сформироваться как «холодные Юпитеры» в более холодных, далеких окрестностях. Но как они эволюционировали в обнимающие звезды газовые гиганты, которые астрономы наблюдают сегодня, остается большой неизвестностью.
Теперь астрономы из Массачусетского технологического института, Университета штата Пенсильвания и других мест обнаружили «прародителя» горячего Юпитера — своего рода юную планету, которая находится в процессе превращения в горячий Юпитер. И ее орбита дает некоторые ответы на вопрос о том, как развиваются горячие Юпитеры. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Соавторами являются студентка Массачусетского технологического института Хэдам Им, ведущий автор Арвинд Гупта из Университета штата Пенсильвания и NSF NOIRLab, а также сотрудники из множества других университетов, институтов и обсерваторий.
Новая планета, которую астрономы назвали TIC 241249530 b, вращается вокруг звезды, которая находится примерно в 1100 световых годах от Земли. Планета вращается вокруг своей звезды по очень «эксцентричной» орбите, что означает, что она подходит очень близко к звезде, прежде чем отскочить далеко, а затем вернуться назад по узкой эллиптической траектории.
Если бы планета была частью нашей солнечной системы, она бы приблизилась к Солнцу в десять раз ближе, чем Меркурий, прежде чем вылететь, пролететь мимо Земли, а затем вернуться обратно. По оценкам ученых, вытянутая орбита планеты имеет самый высокий эксцентриситет среди всех планет, обнаруженных на сегодняшний день.
Орбита новой планеты также уникальна своей «ретроградной» ориентацией. В отличие от Земли и других планет солнечной системы, которые вращаются в том же направлении, что и солнце, новая планета движется в направлении, противоположном вращению ее звезды.
Группа провела моделирование орбитальной динамики и обнаружила, что сильно эксцентричная и ретроградная орбита планеты является признаком того, что она, вероятно, эволюционирует в горячий Юпитер посредством «миграции с высоким эксцентриситетом» — процесса, при котором орбита планеты колеблется и постепенно сокращается по мере ее взаимодействия с другой звездой или планетой на гораздо более широкой орбите.
В случае TIC 241249530 b исследователи определили, что планета вращается вокруг первичной звезды, которая сама вращается вокруг вторичной звезды, как часть двойной звездной системы. Взаимодействие между двумя орбитами — планеты и ее звезды — привело к тому, что планета постепенно сближается со временем со своей звездой.
Орбита планеты в настоящее время имеет эллиптическую форму, и планете требуется около 167 дней, чтобы завершить круг вокруг своей звезды. Исследователи предсказывают, что через 1 миллиард лет планета перейдет на гораздо более узкую, круговую орбиту, когда она будет вращаться вокруг своей звезды каждые несколько дней. К этому моменту планета полностью превратится в горячий Юпитер.
«Эта новая планета подтверждает теорию о том, что миграция с высоким эксцентриситетом должна объяснять некоторую часть горячих юпитеров», — говорит Сара Миллхолланд, доцент кафедры физики в Институте астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института.
«Мы думаем, что когда эта планета сформировалась, она была холодным миром. А из-за драматической орбитальной динамики она станет горячим Юпитером примерно через миллиард лет с температурой в несколько тысяч кельвинов. Так что это огромный сдвиг по сравнению с тем, с чего все началось».
«Радикальные сезоны»
Новая планета была впервые обнаружена в данных, полученных спутником NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) — миссией Массачусетского технологического института, которая отслеживает яркость близлежащих звезд на предмет «транзитов» или кратковременных провалов в звездном свете, которые могут указывать на присутствие планеты, проходящей перед звездой и временно блокирующей ее свет.
12 января 2020 года TESS зафиксировал возможный транзит звезды TIC 241249530. Гупта и его коллеги из Университета штата Пенсильвания определили, что транзит соответствует прохождению планеты размером с Юпитер перед звездой. Затем они получили измерения из других обсерваторий радиальной скорости звезды, которая оценивает колебание звезды или степень ее движения вперед и назад в ответ на другие близлежащие объекты, которые могут гравитационно притягивать звезду.
Эти измерения подтвердили, что вокруг звезды вращается планета размером с Юпитер, и что ее орбита имеет сильный эксцентриситет, что приводит планету очень близко к звезде, прежде чем отбросить ее далеко от нее.
До этого обнаружения астрономы знали только одну другую планету, HD 80606 b, которая считалась ранним горячим Юпитером. Эта планета, открытая в 2001 году, удерживала рекорд по самому высокому эксцентриситету до сих пор.
«Эта новая планета испытывает действительно драматические изменения в звездном свете на протяжении всей своей орбиты», — говорит Миллхолланд. «Должны быть действительно радикальные времена года и абсолютно выжженная атмосфера каждый раз, когда она проходит близко к звезде».
«Танец орбит»
Как планета могла попасть на такую экстремальную орбиту? И как ее эксцентриситет мог меняться с течением времени? Для ответа Им и Миллхолланд провели моделирование планетарной орбитальной динамики, чтобы смоделировать, как планета могла развиваться на протяжении своей истории и как она могла бы продолжаться в течение сотен миллионов лет.
Команда смоделировала гравитационное взаимодействие между планетой, ее звездой и второй ближайшей звездой. Гупта и его коллеги наблюдали, что две звезды вращаются вокруг друг друга в двойной системе, в то время как планета одновременно вращается вокруг более близкой звезды. Конфигурация двух орбит чем-то похожа на цирковую артистку, которая крутит обруч вокруг талии, одновременно вращая второй обруч вокруг запястья.
Миллхолланд и Им провели несколько симуляций, каждая с различным набором начальных условий, чтобы увидеть, какое условие, если его запустить вперед на несколько миллиардов лет, создаст конфигурацию планетарных и звездных орбит, которую команда Гупты наблюдала в настоящее время. Затем они провели наилучшее соответствие еще дальше в будущее, чтобы предсказать, как система будет развиваться в течение следующих нескольких миллиардов лет.
Эти симуляции показали, что новая планета, вероятно, находится в процессе эволюции в горячий Юпитер: несколько миллиардов лет назад планета сформировалась как холодный Юпитер, далеко от своей звезды, в регионе, достаточно холодном, чтобы сконденсироваться и принять форму. Недавно сформированная планета, вероятно, вращалась вокруг звезды по круговой траектории. Однако эта обычная орбита постепенно растягивалась и становилась эксцентричной, поскольку она испытывала гравитационные силы от смещенной орбиты звезды со своей второй, двойной звездой.
«Это довольно экстремальный процесс, поскольку изменения орбиты планеты огромны», — говорит Миллхолланд. «Это большой танец орбит, который происходит на протяжении миллиардов лет, и планета просто следует ему».
Моделирование показывает, что еще через миллиард лет орбита планеты стабилизируется на близкой круговой траектории вокруг своей звезды.
«Тогда планета полностью превратится в горячий Юпитер», — говорит Миллхолланд.
Наблюдения группы, а также их моделирование эволюции планеты, подтверждают теорию о том, что горячие юпитеры могут формироваться в результате миграции с высоким эксцентриситетом — процесса, при котором планета постепенно перемещается на место посредством экстремальных изменений своей орбиты с течением времени.
«Не только это, но и другие статистические исследования ясно показывают, что миграция с высоким эксцентриситетом должна объяснять некоторую часть горячих юпитеров», — отмечает Миллхолланд.
«Эта система показывает, насколько невероятно разнообразными могут быть экзопланеты. Это загадочные другие миры, которые могут иметь дикие орбиты, рассказывающие историю о том, как они оказались на этом пути и куда направляются. Для этой планеты путешествие еще не совсем закончено».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом
