Ученые любят выбросы. Выбросы — это способ природы сообщить нам, каковы ее границы и где лежат ее пределы. Вместо того, чтобы расстраиваться, когда выбросы мешают их пониманию, ученые питаются любопытством, которое вызывают выбросы.
Это верно в случае нового открытия массивной планеты, вращающейся вокруг маленькой звезды. Это противоречит нашему пониманию того, как формируются планеты, а это значит, что наша модель формирования планет нуждается в обновлении.
В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи объявили об открытии экзопланеты массой Нептуна, вращающейся вокруг маломассивной звезды. Звезда — LHS 3154, М-карлик или красный карлик. Оно всего в 0,11 раза массивнее Солнца, что является нормальной массой для красного карлика.
Но что удивительно, так это размер планеты, вращающейся вокруг звезды. Планета называется LHS 3154b, и это монстр по сравнению с большинством планет, вращающихся вокруг красных карликов. Его масса составляет не менее 13,2 массы Земли. Это помещает его в тот же диапазон, что и Нептун, масса которого составляет 17 земных масс. LHS 3154b также находится на очень близкой орбите: оборот вокруг звезды занимает всего 3,7 дня.
«Это открытие действительно подчеркивает, насколько мало мы знаем о Вселенной».
Суврат Махадеван, Пенсильванский государственный университет
Новая статья называется «Экзопланета массой Нептуна на близкой орбите вокруг звезды с очень малой массой бросает вызов моделям формирования». Ведущий автор — Гудмундур Стефанссон, научный сотрудник НАСА по астрофизике Сагана в Принстонском университете. Стефанссон был аспирантом Пенсильванского университета, работая над этим открытием.
«Это открытие действительно подчеркивает, насколько мало мы знаем о Вселенной», — сказал Суврат Махадеван, профессор астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете и соавтор статьи. «Мы не ожидали, что вокруг такой маломассивной звезды будет существовать такая тяжелая планета».
Почему это открытие удивительно? Все дело в звездах и их протопланетных дисках.
Когда формируется звезда, она начинается как протозвезда в центре солнечной туманности. По мере формирования звезды вокруг звезды формируется вращающийся диск газа и пыли, называемый протопланетным диском. В диске образуются плотные узлы, и именно так формируются планеты и планетезимали. Это детальный процесс, который мы до конца не понимаем. Но что ученые знают (или думали, что знают), так это то, что чем больше массы в диске, тем более массивные планеты могут образоваться. А масса диска резко зависит от массы звезды.
Это выглядит так: массивная звезда = массивный диск = массивные планеты. Мы, естественно, считаем верным и обратное. Маленькая звезда = маленький диск = маленькие планеты. Но LHS 3154b и ее звезда этому не соответствуют. В протопланетном диске просто не должно было быть достаточно массы для формирования планеты.
«Ожидается, что диск, образующий планету вокруг маломассивной звезды LHS 3154, не будет иметь достаточно твердой массы для создания этой планеты», — сказал Махадеван. «Но он существует, поэтому теперь нам нужно пересмотреть наше понимание того, как формируются планеты и звезды».
Чтобы обнаружить огромную планету, потребовался специальный инструмент, и Махадеван возглавил команду ученых, построивших ее. Он называется «Искатель планет обитаемой зоны» или HPF, спектрограф, построенный в штате Пенсильвания. HPF предназначен для обнаружения планет, вращающихся вокруг холодных звезд, на поверхности которых может быть жидкая вода. Маленькие планеты бывает очень трудно обнаружить вокруг больших и ярких звезд, таких как наше Солнце, потому что свет Солнца затмевает все остальное.
Но вокруг меньших, более холодных звезд гораздо легче найти планеты, расположенные достаточно близко, чтобы иметь жидкую воду.
«Думайте об этом так, будто звезда — это костер. Чем больше огонь остывает, тем ближе вам нужно подойти к нему, чтобы согреться», — сказал Махадеван. «То же самое верно и для планет. Если звезда холоднее, то планета должна быть ближе к этой звезде, чтобы она была достаточно теплой, чтобы содержать жидкую воду. Если орбита планеты находится достаточно близко к своей ультрахолодной звезде, мы можем обнаружить это, увидев очень тонкое изменение цвета спектра или света звезды, когда ее притягивает вращающаяся вокруг планета».
LHS 3154 — одна из самых маленьких звезд, когда-либо найденных. Ее масса составляет всего 11% массы Солнца, а для поддержания термоядерного синтеза звезде необходимо иметь 8% массы Солнца. Ее называют звездой VLM или звездой очень малой массы. Такие звезды, как LHS 3154, трудно обнаружить, потому что они такие маленькие и тусклые. По этой причине в обзорах экзопланет не так уж много звезд VLM.
Но астрономы разработали HPF именно с учетом этого. Команда исследователей, стоящая за этой работой, начала наблюдать LHS 3154 с помощью HPF еще в 2020 году. Они быстро обнаружили признаки присутствия планеты вокруг звезды, слегка потянув звезду и придав ей характерное колебание, которое может сигнализировать о присутствии планеты. Но известно, что М-карлики довольно сильно вспыхивают, что может быть ложным срабатыванием, поэтому астрономы некоторое время наблюдали. Как только они увидели, что сигнал постоянный, они поняли, что нашли планету.
Известно, что М-карлики содержат множество планет, но обычно они намного меньше огромных планет, которые мы видим в нашей Солнечной системе и вокруг других звезд, подобных нашему Солнцу. LHS 3154b — редкое явление, выдающееся явление, а это означает, что еще предстоит поработать над объяснением того, как оно там образовалось.
«Основываясь на текущих исследованиях с помощью HPF и других инструментов, объект, подобный тому, который мы обнаружили, вероятно, чрезвычайно редок, поэтому его обнаружение было действительно захватывающим», — сказала Меган Деламер, аспирантка астрономии в Пенсильванском университете и соавтор исследования. бумага. «Наши нынешние теории формирования планет не могут объяснить то, что мы видим».
Согласно измерениям команды, LHS 3154b должна иметь тяжелое планетарное ядро. Но современные модели предсказывают, что в протопланетном диске не должно было быть достаточно материала для формирования. Протопланетный диск содержит как газ, так и пыль. Соотношение между ними помогает объяснить, какую массу будет иметь звезда и какую массу будут иметь планеты. Существование LHS 3154 b вокруг М-карлика предполагает, что соотношение пыли и газа в диске должно быть в десять раз выше, чем это понимают ученые.
Есть две теории формирования планет. Одна из них — теория аккреции ядра, согласно которой материя образует комок, который накапливает все больше и больше материи, пока не сформируется ядро планеты. Другая модель — гравитационная неустойчивость. Это объясняет, как массивные планеты формируются в массивных дисках. Вместо того, чтобы накапливаться галькой, газ гравитационно коллапсирует в диске, в конечном итоге образуя газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн.
Команда провела несколько симуляций, чтобы проверить эти теории на соответствие своим выводам. Моделирование механизма аккреции ядра не могло создать планеты столь массивные, как LHS 3154b, а моделирование механизма гравитационного коллапса не могло создать планеты столь маленького размера, как LHS 3154b.
«Оба потенциальных механизма формирования требуют протопланетных дисков, которые имеют значительно большую массу пыли, чем обычно наблюдается вокруг звезд с очень малой массой», — пишет команда в своей статье.
В своей статье авторы обсуждают некоторые возможные объяснения.
Вполне возможно, что протопланетные диски, по крайней мере в некоторых случаях, все еще могут накапливать вещество из молекулярного облака, из которого образовалась звезда. Таким образом, по сути, существует еще один резервуар материала, из которого могут формироваться планеты. Это одно из возможных объяснений.
Или возможно, что протопланетные ядра формируются раньше, чем предполагалось, в течение 1 миллиона лет после появления протозвезды-хозяина. Ожидается, что в этом молодом возрасте протопланетные диски будут более массивными, чем в более поздние времена. Это может позволить достаточному количеству материала быстро аккумулироваться, образуя газовый гигант.
Третья возможность заключается в том, что мы неточно видим, что происходит. Если пыль вокруг звезды превращается в крупную гальку, инфракрасным наблюдениям будет сложно ее увидеть. «…камешки такого размера не были бы обнаружены с помощью миллиметровых наблюдений, используемых для оценки общей массы пыли, что привело к их недооценке», — объясняют исследователи.
Каким бы ни было окончательное объяснение, открытие показывает, что HPF делает то, для чего он был создан. Если он сможет найти больше таких выбросов, мы будем на пути к выяснению более важных деталей процесса формирования планет.
«То, что мы обнаружили, представляет собой экстремальный пример проверки для всех существующих теорий формирования планет», — сказал Махадеван. «Именно для этого мы создали HPF: выяснить, как наиболее распространенные звезды в нашей галактике образуют планеты, и найти эти планеты».
«Открытие с помощью HPF было особенным, поскольку это новый инструмент, который мы спроектировали, разработали и построили с нуля с целью изучения неизведанного населения планет вокруг звезд с наименьшей массой», — сказал Гудмундур Стефанссон из НАСА. Саган, научный сотрудник по астрофизике Принстонского университета и ведущий автор статьи. Стефанссон также участвовал в разработке HPF и работал над исследованием в качестве аспиранта в Пенсильванском университете. «Теперь мы пожинаем плоды, изучая новые и неожиданные аспекты этой захватывающей популяции планет, вращающихся вокруг некоторых из самых близких звезд».
