Экзопланеты соответствуют размеру: расчеты новой модели показывают влияние яркости звезды и магнитной активности

В созвездии Девы, на расстоянии 700 световых лет от Земли, планета WASP-39b вращается вокруг звезды WASP-39. Газовый гигант, которому требуется немногим более четырех дней, чтобы совершить один оборот, является одной из наиболее изученных экзопланет. Вскоре после ввода в эксплуатацию в июле 2022 года космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба обратил свой высокоточный взгляд на далекую планету.

Данные выявили свидетельства наличия большого количества водяного пара, метана и даже впервые углекислого газа в атмосфере WASP-39b. Незначительная сенсация, но одна ложка дегтя все же есть: исследователям пока не удалось воспроизвести все важные детали наблюдений в модельных расчетах. Это мешает еще более точному анализу данных.

В новом исследовании, проведенном MPS, авторы, в том числе исследователи из Массачусетского технологического института (США), Научного института космического телескопа (США), Кильского университета (Великобритания) и Гейдельбергского университета (Германия), показывают способ преодолеть это препятствие.

«Проблемы, возникающие при интерпретации данных WASP-39b, хорошо известны по многим другим экзопланетам — независимо от того, наблюдаются ли они с помощью Кеплера, TESS, Джеймса Уэбба или будущего космического корабля PLATO», — объясняет ученый MPS доктор Надежда Костогрыз, первый автор. нового исследования. «Как и в случае с другими звездами, вокруг которых вращаются экзопланеты, наблюдаемая кривая блеска WASP-39 более пологая, чем могли объяснить предыдущие модели».

Исследователи определяют кривую блеска как измерение яркости звезды за более длительный период времени. Яркость звезды постоянно колеблется, например, потому, что ее светимость подвержена естественным колебаниям. Экзопланеты также могут оставлять следы на кривой блеска. Если экзопланета проходит перед своей звездой, как ее видит наблюдатель, она затемняет звездный свет.

Это отражается на кривой блеска в виде регулярно повторяющегося падения яркости. Точные оценки таких кривых дают информацию о размере и периоде обращения планеты. Исследователи также могут получить информацию о составе атмосферы планеты, если свет звезды разделится на разные длины волн или цвета.

Внимательный взгляд на распределение яркости звезды

Лимб звезды, край звездного диска, играет решающую роль в интерпретации ее кривой блеска. Как и в случае с Солнцем, край кажется наблюдателю темнее, чем внутренняя область. Однако дальше звезда на самом деле не светит менее ярко. «Поскольку звезда представляет собой сферу, а ее поверхность изогнута, мы смотрим на более высокие и, следовательно, более холодные слои на краю, чем в центре», — объясняет соавтор и директор MPS профессор, доктор Лоран Жизон. «Поэтому эта область кажется нам темнее», — добавляет он.

Известно, что потемнение края влияет на точную форму сигнала экзопланеты на кривой блеска: затемнение определяет, насколько резко яркость звезды падает во время планетарного транзита, а затем снова возрастает. Однако точно воспроизвести данные наблюдений с использованием традиционных моделей звездной атмосферы не удалось. Падение блеска всегда было менее резким, чем предполагали модельные расчеты.

«Было ясно, что нам не хватает важной части головоломки, чтобы точно понять сигнал экзопланет», — говорит директор MPS профессор доктор Сами Соланки, соавтор текущего исследования.

Магнитное поле — недостающая часть головоломки

Как показывают опубликованные сегодня расчеты, недостающей частью головоломки является магнитное поле звезды. Как и Солнце, многие звезды генерируют магнитное поле глубоко внутри себя посредством огромных потоков горячей плазмы. Впервые исследователи смогли включить магнитное поле в свои модели потемнения конечностей.

Они могли бы показать, что сила магнитного поля имеет важный эффект: потемнение к краю выражено у звезд со слабым магнитным полем и слабее у звезд с сильным магнитным полем.

Исследователи также смогли доказать, что расхождение между данными наблюдений и модельными расчетами исчезает, если в расчеты включить магнитное поле звезды. С этой целью команда обратилась к избранным данным космического телескопа НАСА «Кеплер», который запечатлел свет тысяч и тысяч звезд с 2009 по 2018 год.

На первом этапе ученые смоделировали атмосферу типичных звезд Кеплера в присутствии магнитного поля. На втором этапе на основе этих расчетов они затем сгенерировали «искусственные» данные наблюдений. Как показало сравнение с реальными данными, с учетом магнитного поля данные Кеплера успешно воспроизводятся.

Команда также распространила свое внимание на данные космического телескопа Джеймса Уэбба. Телескоп способен расщеплять свет далеких звезд на различные длины волн и таким образом искать характерные признаки тех или иных молекул в атмосферах открытых планет.

Как оказалось, магнитное поле родительской звезды по-разному влияет на затемнение звездного края на разных длинах волн — и поэтому его следует учитывать в будущих оценках, чтобы добиться еще более точных результатов.

От телескопов к моделям

«В последние десятилетия и годы способом продвижения вперед в исследованиях экзопланет было улучшение аппаратного обеспечения космических телескопов, предназначенных для поиска и описания новых миров. Космический телескоп Джеймса Уэбба вывел это развитие на новые пределы», — говорит доктор Александр Шапиро, соавтор текущего исследования и руководитель исследовательской группы МПС. «Следующим шагом теперь будет улучшение и уточнение моделей для интерпретации этих превосходных данных», — добавляет он.

Чтобы еще больше продвинуть эту разработку, исследователи теперь хотят распространить свой анализ на звезды, которые явно отличаются от Солнца. Кроме того, их результаты дают возможность использовать кривые блеска звезд с экзопланетами для определения силы звездного магнитного поля, которое иначе часто трудно измерить.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Информация от: Обществом Макса Планка