Суперкольца экзо-Сатурна

На картинке — изображение экзопланеты 1SWASP J1407 b, созданное с помощью астрономической программы Celestia на основе данных о кольцах Сатурна. Это первая планета вне Солнечной системы, у которой обнаружены кольца, а также крупнейшая из кольцевых систем, известных на данный момент.

Экзопланета была открыта в 2012 году транзитным методом с помощью наземного роботизированного телескопа SuperWASP. Этот метод основан на фиксировании снижения яркости звезды при прохождении планеты на ее фоне. Объектом изучения была звезда-субгигант солнечной массы из созвездия Центавра, удаленная от Земли на 434 световых года. У кривых блеска этой звезды (см. задачу Кривые блеска и экзопланеты) есть одна страность. Обычно при затмении звезды планетой наблюдается разовое пиковое снижение яркости, но в этом случае рядом с основным пиком имелось множество меньших вторичных снижений яркости по обе стороны от основного. Удивительной была и сама длительность транзита — 56 суток вместо нескольких часов, как это обычно бывает у экзопланет.

Модельное изображение кольцевой системы вокруг J1407 b. Кольца показаны красным цветом. Зеленая линия показывает путь и диаметр звезды J1407 b. Серые кольца обозначают области, где фотометрические данные не ограничивают модель. Нижний график показывает кривую блеска передаваемой модели. Красные точки — это измеренный поток излучения от звезды J1407 в оптическом диапазоне. За единицу принят полный поток от звезды. Рисунок из статьи M. A. Kenworthy, E. E. Mamajek, 2015. Modeling giant extrasolar ring systems in eclipse and the case of J1407b: sculpting by exomoons?

Ученые объясняют это существованием у планеты структуры колец, наклоненной к плоскости вращения по орбите. Необычность и сложность кривой блеска, а также длительность транзита не удается объяснить наличием других тел в системе, активностью материнской звезды или наличием пылевого диска звезды. Чтобы ее можно было обнаружить, система колец должна обладать множеством особенностей: во-первых, быть достаточно плотной и непрозрачной; во-вторых, иметь наклон к плоскости вращения по орбите вокруг звезды и к наблюдателю на Земле; в-третьих, быть достаточно большой, чтобы можно было отделить структуру колец от планеты, и при этом затмевать звезду настолько, чтобы телескоп мог зафиксировать снижение яркости.

Исходя из положения пиков на кривой блеска и времени покрытия, можно попытаться воссоздать структуру и оценить параметры кольцевой системы. Согласно первому проведенному анализу, 1SWASP J1407 b имеет как минимум четыре кольца, разделенные щелями. Их назвали «Рочестер», «Сазерленд», «Кампанас» и «Тололо» — в честь обсерваторий, где впервые получили и анализировали данные об этой системе. Последующие исследования показали, что кольцевая система может состоять из более чем 30 колец.

Внешний радиус последнего зафиксированного кольца — около 90 млн км, что в 640 раз больше радиуса видимой части колец Сатурна и сравнимо с расстоянием от Венеры до Солнца. Общую массу колец (при условии прозрачности, как у колец Сатурна) оценивают в одну массу Земли. Для сравнения: это более чем в 80 тысяч раз больше, чем общая масса колец Сатурна. В кольцевой системе примерно на расстоянии в 61 млн км (среднее расстояние от Меркурия до Солнца) от планеты имеется крупный разрыв, что считается косвенным доказательством существования экзоспутника, который и «вырезал» это кольцо. Этот разрыв мог, наподобие щели Кассини у Сатурна, образоваться в результате резонансного движения спутника-пастуха, массу которого сравнивают с массой Земли (до 0,8 масс Земли). Орбитальный период этой луны равен приблизительно двум годам.

Как же существует столь крупная система колец? Ее размер значительно больше сферы действия тяготения планеты (области, где сила притяжения планеты больше силы притяжения звезды). Конечно, система колец не выходит за рамки сферы Хилла (области, где планета за счет инерции способна удерживать свои спутники), но занимает значительную ее часть. Это значит, что крайние частицы колец испытывают в несколько раз более сильное притяжение звезды, чем планеты, и возникает вопрос об устойчивости и динамике такого образования. При сближениях планеты и звезды возможно даже истечение вещества из диска кольца.

Также весьма интересны причины возникновения наклона кольца к плоскости вращения по орбите — если бы не этот наклон, открытия вообще бы не произошло. Существует несколько моделей, которые объясняют такой наклон для планет Солнечной системы — Урана, Нептуна и Сатурна, но для такой крупной экзопланеты, как 1SWASP J1407, эти модели требуют серьезных теоретических доработок.

Фото с сайта commons.wikimedia.org.

Александр Яровитчук