Мы не можем понять природу, не понимая ее ареала. Это очевидно в науке об экзопланетах и в наших теориях формирования планет. Природные аномалии и странности оказывают давление на наши модели и побуждают ученых копать глубже.
Gliese 367 b (или Tahay), конечно, чудак. Это планета сверхкороткого периода (USP), которая обращается вокруг своей звезды всего за 7,7 часов. В нашем каталоге из более чем 5000 экзопланет USP есть почти 200 других планет USP, поэтому Gliese 367 b не уникальна в этом отношении. Но это исключение в другом отношении: это сверхплотная планета — почти в два раза плотнее Земли.
Это означает, что это должно быть почти чистое железо.
«Вы можете сравнить GJ 367 b с похожей на Землю планетой, у которой удалена каменная мантия».
Элиза Гоффо, ведущий автор, Туринский университет.
Астрономы нашли Тахай в данных TESS (Транзитный спутник для исследования экзопланет) за 2021 год. Но новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, уточняет массу и радиус странной планеты с помощью улучшенных измерений. Он также нашел двух братьев и сестер планеты. Исследование называется «Компания по сверхвысокой плотности и ультракороткому периоду существования подземного мира GJ 367 b: открытие двух дополнительных планет с малой массой через 11,5 и 34 дня». Ведущий автор — Элиза Гоффо, доктор философии. Студент физического факультета Туринского университета.
TESS обнаружил Gliese 367 b в 2021 году, когда обнаружил чрезвычайно слабый транзитный сигнал от красного карлика по имени Gliese 367. Сигнал был на пределе возможностей обнаружения TESS, поэтому астрономы знали, что он мал, как и Земля.
В рамках работы 2021 года исследователи использовали высокоточный спектрограф для поиска планет с радиальной скоростью (HARPS) в Европейской южной обсерватории для определения массы и плотности G 367 b. Они определили, что радиус планеты составляет 72% земного, а ее масса — 55% земной. Это означает, что это, вероятно, была железная планета, оставшееся ядро некогда гораздо большей планеты.
Перенесемся в настоящее время и к новому исследованию Гоффо и ее коллег.
Они также использовали HARPS для измерения маленькой планеты. На этот раз они использовали 371 наблюдение HARPS G 367 b. Эти результаты показывают, что планета даже более плотная, чем показало исследование 2021 года. Новое исследование показывает, что вместо 55% массы Земли планета составляет 63% массы Земли. Его радиус также сократился с 72% земного до 70% земного.
Все сводится к тому, что G 367 b в два раза плотнее Земли.
Как планета оказалась такой? Вряд ли оно сформировалось таким, какое оно есть сейчас. Напротив, это, вероятно, ядро планеты, с которой лишилась каменной мантии.
«Вы можете сравнить GJ 367 b с похожей на Землю планетой с оторванной каменистой мантией», — сказал ведущий автор Гоффо. «Это может иметь важные последствия для формирования GJ 367 b. Мы полагаем, что планета могла образоваться как Земля, с плотным ядром, состоящим в основном из железа, окруженным мантией, богатой силикатами».
Должно быть, произошло что-то экстраординарное, чтобы маленькая планета потеряла свою мантию. «Катастрофическое событие могло разрушить ее каменистую мантию, оставив обнаженным плотное ядро планеты», — объяснил Гоффо. Столкновения между ней и другими все еще формирующимися протопланетами в начале ее жизни могли разрушить внешний слой планеты.
Другая возможность, по мнению Гоффо, заключается в том, что небольшой USP родился в необычайно богатой железом области протопланетного диска. Но это кажется маловероятным.
Существует третья возможность, и о ней впервые задумались, когда астрономы обнаружили G 367 b в 2021 году. Это может быть остаток некогда огромного газового гиганта, такого как Нептун. Для этого планета сформировалась бы дальше от звезды, а затем мигрировала бы внутрь. Сейчас она находится настолько близко к своей звезде, что интенсивное излучение красного карлика выкипело бы атмосферу.
G 367 b принадлежит к очень небольшому классу экзопланет, называемых супер-Меркуриями. Их состав такой же, как у Меркурия, но они крупнее и плотнее. (Несмотря на то, что они редки, есть одна система с двумя из них.) Меркурий, возможно, постигла та же участь, что и G 367 b. Когда-то у него могло быть больше мантии и коры, но удары удалили их.
Но даже среди супер-Меркурий выделяется G 367 b. Это самое плотное УТП, о котором мы знаем. «Благодаря нашим точным оценкам массы и радиуса мы исследовали потенциальный внутренний состав и структуру GJ 367 b и обнаружили, что он, как ожидается, будет иметь железное ядро с массовой долей 0,91», — говорится в новой статье.
Так что же произошло в этой системе? Как G 367 b оказалась в таком состоянии и так близко к своей звезде?
Исследователи также нашли в этой системе еще две планеты: G 367 c и d. Астрономы считают, что планеты USP почти всегда находятся в системах с несколькими планетами, поэтому новое исследование подтверждает это. TESS не смог обнаружить эти планеты, потому что они не проходят транзитом через свою звезду. Команда обнаружила их в ходе наблюдений HARPS, и их присутствие ограничивает возможные сценарии формирования.
«Благодаря нашим интенсивным наблюдениям с помощью спектрографа HARPS мы обнаружили наличие двух дополнительных маломассивных планет с орбитальными периодами 11,5 и 34 дня, которые уменьшают количество возможных сценариев, которые могли бы привести к образованию столь плотной планеты. — сказал соавтор Давиде Гандольфи, профессор Туринского университета.
Планеты-спутники также вращаются близко к звезде, но имеют меньшую массу. Это наталкивает на мысль о том, что любой из них образовался в богатой железом среде, но не исключает ее. «Хотя GJ 367 b могла образоваться в среде, богатой железом, мы не исключаем сценарий образования, включающий такие жестокие события, как столкновения гигантских планет», — сказал Гандольфи в пресс-релизе.
В заключении своей статьи команда копает немного глубже в возможные сценарии формирования.
Согласно сценарию формирования, протопланетный диск вокруг Глизе 367 должен был иметь область, обогащенную железом. Но астрономы не знают, существует ли вообще такой богатый железом регион.
«Возможные пути могут включать образование материала, значительно более богатого железом, чем считается, обычно присутствующего в протопланетных дисках. Хотя неясно, существуют ли диски с таким большим относительным содержанием железа именно вблизи внутреннего края (откуда могла быть получена большая часть материала)», — пишут они. Фактически, в отдельном исследовании 2020 года говорится, что их работа по формированию планет «не может воспроизвести экстремальное обогащение Fe, необходимое для образования Меркурия». Если модели дисков не могут объяснить, как образовался богатый железом Меркурий, они не смогут объяснить, как образовался G 367 b.
Вместо этого более вероятно, что планета была другой, когда формировалась, а затем со временем приняла свою нынешнюю форму. Столкновительное разрушение — это когда внешний материал планеты удаляется в результате одного или нескольких столкновений. Поскольку внешний материал менее плотный, чем внутренний материал на дифференцированных планетах, повторные столкновения увеличили бы объемную плотность G 367 b за счет удаления более легкого материала. Но здесь есть по крайней мере одна проблема: «Наши измерения объемной плотности GJ 367 b показывают, что столкновительное зачистка должно быть чрезвычайно эффективным в удалении нежелезного материала с планеты, если это единственный работающий процесс», — авторы писать. Удивительно эффективно, но не невозможно.
Итак, есть три возможности: планета образовалась в среде, богатой железом, когда-то планета была больше и потеряла свои внешние слои в результате столкновений, или планета представляет собой остаточное ядро некогда массивного газового гиганта, который мигрировал слишком близко к планете. его звезда, и его газовая оболочка была удалена.
Возможно, нам не придется останавливаться на чем-то одном. «Конечно, все вышеописанные процессы могли способствовать созданию почти чистого железного шара, известного как GJ 367 b», — пишут авторы.
Все, что у нас есть сейчас, — это возможности. Система похожа на головоломку, и астрономам предстоит ее решить. Его необычные свойства делают его выдающимся, а учёным нравятся такие необычные явления, потому что они мотивируют их копать глубже. Если наши нынешние теории не могут объяснить эти чудаки, то наши теории нуждаются в доработке.
«Эта уникальная многопланетная система, в которой находится подземное пространство USP со сверхвысокой плотностью, является необычной целью для дальнейшего изучения сценариев формирования и миграции систем USP», — заключают исследователи.
