Экзопланета, которая вот-вот превратится в горячий Юпитер
Горячие Юпитеры - одни из самых экстремальных планет в галактике. Эти раскаленные миры столь же массивны, как Юпитер, и вращаются очень близко к своей звезде, совершая оборот за несколько дней по сравнению с неторопливым обращением нашего газового гиганта вокруг Солнца за 4000 дней.
Однако ученые подозревают, что горячие Юпитеры не всегда были такими горячими и на самом деле могли образоваться как "холодные юпитеры" в более холодных и отдаленных окрестностях. Но как они эволюционировали в газовые гиганты, которые астрономы наблюдают сегодня, остается загадкой.
Астрономы Массачусетского технологического института, Университета штата Пенсильвания и других организаций 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 исследования опубликованы в журнале Nature.
В число соавторов входят студент Массачусетского технологического института Хэдам И.М., ведущий автор Арвинд Гупта из Университета штата Пенсильвания и Лаборатории NSF NOIRLab, а также сотрудники многих других университетов, институтов и обсерваторий.
Новая планета, которую астрономы назвали TIC 241249530 b, вращается вокруг звезды, находящейся примерно в 1100 световых годах от Земли. Планета вращается вокруг своей звезды по сильно "эксцентричной" орбите, что означает, что она приближается к звезде очень близко, прежде чем удалиться далеко от нее, а затем возвращается по узкой эллиптической траектории.
Если бы эта планета была частью нашей солнечной системы, она подошла бы к Солнцу в десять раз ближе, чем Меркурий, прежде чем вылететь из него, пролететь мимо Земли, а затем вернуться обратно. По оценкам ученых, вытянутая орбита планеты имеет самый высокий эксцентриситет из всех обнаруженных на сегодняшний день планет.
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.
Команда провела моделирование динамики орбиты и обнаружила, что высокая эксцентричность и ретроградность орбиты планеты являются признаками того, что она, вероятно, превращается в горячий Юпитер в результате "миграции с высоким эксцентриситетом" - процесса, при котором орбита планеты колеблется и постепенно сжимается по мере ее взаимодействия с другой звездой или планетой на орбите Юпитера. гораздо более широкая орбита.
В случае с 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 со временем планета постепенно приблизилась к своей звезде.
В настоящее время орбита планеты имеет эллиптическую форму, и планете требуется около 167 дней, чтобы совершить полный оборот вокруг своей звезды. Исследователи предсказывают, что через 1 миллиард лет планета перейдет на гораздо более плотную круговую орбиту, после чего будет обращаться 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 быть причиной некоторой доли горячих Юпитеров", - говорит Сара Миллхолланд, доцент физики в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института.
"Мы думаем, что когда эта планета сформировалась, она была холодным миром. И из-за драматической динамики орбиты примерно через миллиард лет она станет горячим Юпитером 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 на данных, полученных с помощью спутника NASA Transiting Exoplanet Survey (TESS), миссии под руководством Массачусетского технологического института, которая отслеживает яркость близлежащих звезд на предмет "транзитов" или кратковременных провалов в звездном свете, которые могут сигнализировать о присутствии планеты, проходящей перед объектом и временно блокирующей его. свет звезды.
12 января 2020 года TESS зафиксировал возможное прохождение звезды TIC 241249530. Гупта и его коллеги из университета Пенсильвании определили, что это прохождение соответствовало прохождению планеты размером с Юпитер перед звездой. Затем они получили данные из других обсерваторий о лучевой скорости звезды, которая оценивает колебание звезды, или степень, с которой она перемещается взад и вперед, в ответ на воздействие других близлежащих объектов, которые могут гравитационно притягиваться к звезде.
Эти измерения подтвердили, что вокруг звезды вращается планета размером с Юпитер и что ее орбита сильно эксцентрична, в результате чего планета находится очень близко к звезде, а затем отбрасывается далеко от нее.
До этого открытия астрономы знали только об одной планете, HD 80606 b, которая считалась одним из ранних горячих юпитеров. Эта планета, открытая в 2001 году, до сих пор была рекордсменом по величине эксцентриситета.
"На протяжении всей своей орбиты эта новая планета испытывает действительно драматические изменения в освещении звезд", - говорит Миллхолланд. "Каждый раз, когда она проходит близко к звезде, на ней должны быть действительно радикальные сезоны и абсолютно выжженная атмосфера".
"Танец орбит"
Как планета могла выйти на такую экстремальную орбиту? И как мог изменяться ее эксцентриситет с течением времени? В поисках ответов Им и Миллхолланд провели моделирование динамики планетарных орбит, чтобы смоделировать, как планета могла эволюционировать на протяжении всей своей истории и как это могло продолжаться в течение сотен миллионов лет.
Команда смоделировала гравитационные взаимодействия 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 ближайшей звезды. Конфигурация двух орбит чем-то напоминает циркачку, которая крутит хула-хуп вокруг своей талии, а второй обруч - вокруг запястья.
Миллхолланд и Im провели несколько симуляций, каждая из которых имела свой набор начальных условий, чтобы увидеть, какие из них, в перспективе нескольких миллиардов лет, привели к конфигурации планетарных и звездных орбит, которую команда Гупты наблюдает в настоящее время. Затем они запустили поиск наилучшего соответствия еще дальше в будущее, чтобы предсказать, как система будет развиваться в течение следующих нескольких миллиардов лет.
Эти расчеты показали, что новая планета, вероятно, находится в процессе эволюции в горячий Юпитер: несколько миллиардов лет назад планета сформировалась как холодный Юпитер, вдали от своей звезды, в области, достаточно холодной для того, чтобы конденсироваться и принимать форму. Недавно сформировавшаяся планета, вероятно, обращалась вокруг звезды по круговой траектории. Однако эта обычная орбита постепенно растягивалась и становилась эксцентричной, поскольку она испытывала гравитационные силы из-за смещения орбиты звезды относительно ее второй двойной звезды.
"Это довольно экстремальный процесс, поскольку изменения орбиты планеты носят массовый характер", - говорит Миллхолланд. "Это большой круговорот орбит, который происходит на протяжении миллиардов лет, и планета просто движется по нему".
Еще через миллиард лет, как показывают расчеты, орбита планеты стабилизируется и превратится в замкнутую круговую траекторию вокруг своей звезды.
"Тогда планета полностью превратится в горячий Юпитер", - говорит Миллхолланд.
Наблюдения команды, наряду с проведенным ими моделированием эволюции планеты, подтверждают теорию о том, что горячие Юпитеры могут образовываться в результате миграции с высоким эксцентриситетом - процесса, при котором планета постепенно перемещается на свое место за счет резких изменений своей орбиты с течением времени.
"Не только из этого, но и из других статистических исследований ясно, что миграция с высоким эксцентриситетом должна быть причиной некоторой доли горячих Юпитеров", - отмечает Миллхолланд.
"Эта система показывает, насколько невероятно разнообразными могут быть экзопланеты. Это таинственные другие миры, у которых могут быть необычные орбиты, которые рассказывают историю о том, как они стали такими и куда направляются. Что касается этой планеты, то она еще не совсем завершила свое путешествие".
