Международная группа астрономов выяснила происхождение одной из самых необычных экзопланетных систем, известных на сегодняшний день. Речь идет о системе TOI-1130, расположенной примерно в 190 световых годах от Земли, где гигантская планета типа «горячий Юпитер» существует вместе с гораздо меньшей планетой — мини-Нептуном — в конфигурации, которую ученые долгое время считали почти невозможной.
Новые наблюдения, выполненные с помощью космического телескопа James Webb Space Telescope (JWST), показали, что обе планеты, вероятно, сформировались далеко от своей звезды, в холодных внешних областях системы, а затем мигрировали внутрь вместе, сохранив стабильность благодаря гравитационному резонансу.
Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters и могут изменить представления о формировании горячих Юпитеров и их влиянии на соседние планеты.
Почему горячие Юпитеры считаются «одинокими»
Горячие Юпитеры — это гигантские газовые планеты, похожие по массе на Jupiter, но находящиеся чрезвычайно близко к своим звездам.
Обычно такие миры:
- совершают оборот вокруг звезды за несколько дней;
- имеют очень высокую температуру;
- обладают мощной гравитацией;
- находятся ближе к звезде, чем Mercury к Солнцу.
Однако проблема заключается в том, что горячие Юпитеры не могут формироваться настолько близко к звезде.
Внутренние области протопланетного диска слишком горячие для накопления достаточного количества льда и газа, необходимых для создания гигантской планеты. Поэтому астрономы считают, что горячие Юпитеры возникают далеко от звезды, а затем мигрируют внутрь системы.
Именно этот процесс обычно разрушает окружающую архитектуру планетной системы.
Когда массивный газовый гигант движется к звезде, его гравитация:
- выбрасывает меньшие планеты;
- нарушает орбиты;
- вызывает столкновения;
- дестабилизирует систему.
Поэтому большинство горячих Юпитеров действительно оказываются «одинокими».
Система TOI-1130 оказалась исключением
Система TOI-1130 сразу привлекла внимание астрономов.
Она была обнаружена в 2020 году при анализе данных миссии TESS — Transiting Exoplanet Survey Satellite NASA.
В системе находятся две необычные планеты:
- TOI-1130c — горячий Юпитер;
- TOI-1130b — мини-Нептун.
Мини-Нептун расположен ближе к звезде, чем сам горячий Юпитер.
Это крайне необычно.
Согласно классическим моделям миграции, гигантская планета должна была либо выбросить внутренний мир из системы, либо уничтожить его гравитационными возмущениями.
Но этого не произошло.
Что такое мини-Нептун
Мини-Нептуны считаются одним из самых распространенных типов экзопланет во Вселенной.
Такие миры:
- больше Земли;
- меньше Neptune;
- имеют плотную атмосферу;
- часто богаты водородом и водяным паром.
В Солнечной системе подобных планет нет.
TOI-1130b примерно в 3,5 раза больше Земли и относится именно к этому классу.
Главной целью исследования стало изучение атмосферы этой планеты.
JWST впервые изучил атмосферу мини-Нептуна внутри орбиты горячего Юпитера
Команда ученых использовала James Webb Space Telescope для наблюдения транзита TOI-1130b.
Во время прохождения планеты перед звездой часть света проходит через атмосферу мира. Различные молекулы поглощают определенные длины волн, и это позволяет определить химический состав атмосферы.
JWST обнаружил в атмосфере TOI-1130b:
- водяной пар;
- углекислый газ;
- диоксид серы;
- признаки метана.
Особенно важным оказалось большое количество тяжелых молекул.
Планета явно сформировалась далеко от звезды
Состав атмосферы показал, что TOI-1130b вряд ли образовался рядом со своей звездой.
Если бы планета возникла во внутренних горячих областях системы, ее атмосфера должна была бы содержать преимущественно:
- водород;
- гелий.
Однако обнаруженные соединения указывают на формирование за пределами так называемой snow line — снеговой или ледяной линии.
Снеговая линия — это область протопланетного диска, где температура достаточно низкая, чтобы вода существовала в виде льда.
Именно там формируются богатые льдом планетезимали, из которых затем возникают газовые гиганты и ледяные миры.
Фактически атмосфера TOI-1130b сохранила химические следы своего происхождения.
Планеты мигрировали вместе
Главный вывод исследования заключается в том, что обе планеты, вероятно, двигались к звезде одновременно.
Астрономы считают, что они сохранили стабильность благодаря орбитальному резонансу 2:1.
Это означает:
- TOI-1130b совершает два оборота вокруг звезды;
- за это время TOI-1130c делает один оборот.
Подобный резонанс стабилизирует систему и предотвращает разрушительные сближения.
В Солнечной системе аналогичные резонансы существуют между спутниками Jupiter и некоторыми объектами пояса Kuiper.
В случае TOI-1130 резонанс фактически позволил двум планетам «путешествовать вместе» через протопланетный диск.
Орбиты планет сильно влияют друг на друга
Гравитационное взаимодействие между планетами оказалось настолько сильным, что ученым пришлось решать сложную задачу перед наблюдениями JWST.
Из-за взаимного притяжения планеты немного ускоряют и замедляют движение друг друга. Это вызывает transit timing variations — вариации времени транзитов.
Иными словами, моменты прохождения планет перед звездой постоянно слегка меняются.
Для JWST это было критично.
Время наблюдений телескопа чрезвычайно ограничено, и ошибка в расчетах могла привести к полной потере данных.
Исследователи создали сложную динамическую модель системы, которая позволила точно предсказать момент транзита.
Насколько экстремальны условия в системе
Хотя обе планеты возникли в холодных внешних областях системы, сейчас они находятся очень близко к звезде.
TOI-1130b:
- совершает оборот за 4 дня;
- находится на расстоянии около 6,8 миллиона километров от звезды;
- имеет температуру около 550 °C.
TOI-1130c:
- обращается за 8 дней;
- находится примерно в 10,9 миллиона километров от звезды;
- нагревается примерно до 500 °C.
Для сравнения, Mercury находится примерно в 58 миллионах километров от Солнца.
Почему это открытие важно для науки
Система TOI-1130 стала важным доказательством того, что миграция планет может происходить намного сложнее, чем считалось ранее.
Ранее многие модели предполагали, что горячие Юпитеры практически всегда уничтожают внутренние планеты.
Теперь становится ясно, что существуют и более мягкие сценарии миграции, при которых система способна сохранить несколько миров.
Это важно для понимания:
- эволюции планетных систем;
- происхождения горячих Юпитеров;
- распределения мини-Нептунов;
- динамики протопланетных дисков.
Атмосферы экзопланет помогают восстановить их прошлое
Исследование также показывает, насколько важным инструментом стала спектроскопия атмосфер.
Современные телескопы позволяют фактически «читать» историю формирования планет по химическому составу атмосферы.
Различные элементы и молекулы указывают:
- где сформировалась планета;
- сколько льда участвовало в ее образовании;
- мигрировала ли она;
- как менялась ее атмосфера.
Это превращает атмосферный анализ в один из главных методов изучения происхождения экзопланет.
JWST меняет науку об экзопланетах
После запуска James Webb Space Telescope исследования экзопланет вышли на новый уровень.
Телескоп уже позволил:
- обнаруживать сложные молекулы;
- измерять температуру атмосфер;
- анализировать облака;
- изучать химический состав далеких миров;
- искать потенциальные биосигнатуры.
Раньше подобные исследования были доступны только для крупнейших экзопланет.
Теперь ученые начинают подробно изучать даже сравнительно небольшие миры.
Солнечная система снова выглядит необычной
Как и многие современные открытия в экзопланетологии, система TOI-1130 показывает, насколько необычной может быть архитектура других звездных систем.
В Солнечной системе:
- нет горячих Юпитеров;
- нет мини-Нептунов;
- отсутствуют резонансные пары такого типа;
- орбиты планет относительно стабильны и широко разнесены.
Однако наблюдения последних лет показывают, что подобная конфигурация может быть далеко не самой распространенной во Вселенной.
Астрономы продолжают искать похожие системы
Исследователи считают, что TOI-1130 может оказаться не единственным примером подобной миграции.
Новые данные TESS, JWST и будущих телескопов помогут найти другие системы, где горячие Юпитеры сохранили соседние планеты.
Если таких объектов окажется много, ученым придется серьезно пересматривать модели формирования гигантских планет.
Возможно, миграция горячих Юпитеров далеко не всегда является катастрофическим процессом для всей системы.
И система TOI-1130 стала одним из первых прямых доказательств того, что даже экстремальные экзопланетные миры могут сохранять сложную и устойчивую архитектуру после долгого путешествия из холодных окраин своей звездной системы.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
