Ритмы системы шести экзопланет бросают вызов теории

Использовав несколько инструментов, в том числе Очень Большой телескоп Европейской Южной обсерватории (VLT ESO), астрономы обнаружили систему шести экзопланет, пять из которых обращаются вокруг своей центральной звезды в резонансе. Исследователи считают, что эта система может дать важную информацию о том, как образуются и развиваются планеты, в том числе и планеты Солнечной системы.

Когда группа исследователей впервые наблюдала TOI-178, звезду, находящуюся на расстоянии около 200 световых лет от нас в созвездии Скульптора, астрономы решили, что они обнаружили две планеты, обращающиеся вокруг этой звезды по одной и той же орбите. Однако, более пристальный взгляд показал, что дело обстоит совершенно иначе. “Продолжая наши наблюдения, мы поняли, что система содержит не две планеты, обращающиеся вокруг звезды на примерно одинаковом расстоянии от нее, а целую группу планет, образующих очень необычную конфигурацию”, – говорит Адриен Лёло (Adrien Leleu) из Женевского и Бернского университетов в Швейцарии, руководитель нового исследования планетной системы, публикуемого сегодня в журнале Astronomy & Astrophysics.

Исследование показало, что система содержит шесть экзопланет и что все они, кроме одной, ближайшей к звезде, в процессе своего движения по орбитам связаны неким ритмическим «танцем». Другими словами, все они находятся в резонансе. Это означает, что в их движении вокруг звезды имеются регулярно повторяющиеся конфигурации. Похожие резонансные явления наблюдаются в орбитах трех «галилеевых лун» Юпитера: Ио, Европы и Ганимеда. Ближайшая из них к Юпитеру, Ио, совершает вокруг материнской планеты четыре полных оборота, пока Ганимед, самый дальний спутник из трех, совершает всего один; а Европа совершает вокруг Юпитера один оборот за время двух оборотов Ио.

У пяти внешних экзопланет в системе TOI-178 наблюдается гораздо более сложная система резонансов, одна из самых длинных «резонансных цепочек», когда-либо обнаруженных у планет. Если три спутника Юпитера находятся в резонансе 4:2:1, то пять планет системы TOI-178 образуют резонансную цепь 18:9:6:4:3! Пока вторая от звезды планета (первая в резонансной цепи) совершает 18 оборотов, третья от звезды (вторая в цепи) делает их 9, и т.д. В действительности ученые сначала нашли в системе только пять планет, но анализируя их резонансный ритм, сумели вычислить, где должна в этой цепочке находиться еще одна, добавочная планета и как её найти, когда появится следующее «окно наблюдений» системы.

«Танец» планетных резонансов – не просто любопытное сочетание орбит. Он указывает на важные закономерности в прошлом развитии планетной системы. “Орбиты в этой системе очень строго упорядочены, и это говорит нам о том, что со времени образования системы она развивалась чрезвычайно гладко и спокойно»”, – объясняет соавтор работы Янн Алиберт (Yann Alibert) из Бернского университета. Если бы система подверглась значительному возмущению на ранних этапах своего развития, например, вследствие гигантского соударения, хрупкое равновесие орбитальных резонансов неизбежно было бы разрушено.

Беспорядок в системе ритмов

Но даже если расположение орбит в системе столь филигранно упорядочено, плотности планет “упорядочены гораздо хуже”, – говорит Натан Хара (Nathan Hara) из Женевского университета в Швейцарии, также принимавший участие в работе. “И оказывается, что планета, столь же плотная, как Земля, расположена по соседству с другой, прямо-таки мягкой, как пух, с плотностью, вдвое меньшей, чем у Нептуна; а следом за ней идет планета, с плотностью, как у Нептуна. Это совсем не похоже на то, к чему мы привыкли”. В Солнечной системе, например, планеты в этом отношении расположены гораздо более упорядоченно: плотные каменистые планеты расположены вблизи центральной звезды, а обладающие малой плотностью газовые гиганты – вдали от нее.

“Такой контраст между ритмической гармонией орбитальных движений и неупорядоченными плотностями планет совершенно противоречит нашему пониманию закономерностей образования и развития планетных систем”, – говорит Лёло.

Комбинация методов исследования

Для изучения необычной архитектуры планетной системы, группа воспользовалась данными, полученными с борта запущенного Европейским космическим агентством спутника CHEOPS, дополнив их наземными наблюдениями с приёмником ESPRESSO на телескопе ESO VLT, а также с инструментами NGTS и SPECULOOS, также размещенными в обсерватории ESO на горе Параналь в Чили. Прямые наблюдения экзопланет в телескоп – задача исключительно сложная, и вместо этого астрономам приходится применять другие методы регистрации. Главными из них являются два. Это наблюдение транзитов — кратковременных ослаблений света центральной звезды во время прохождения между ней и земным наблюдателем экзопланеты, которая загораживает часть поверхности звезды. Второй метод — измерение колебаний лучевой скорости звезды по смещениям линий в её спектре; эти колебания вызваны периодическими малыми смещениями звезды по лучу зрения вследствие гравитационного притяжения её планетой. В наблюдениях системы группа использовала оба метода: установки CHEOPS, NGTS и SPECULOOS наблюдали транзиты, а спектрограф ESPRESSO – лучевые скорости.

Сочетая оба метода, астрономы сумели получить ключевую информацию о системе и входящих в нее планетах. Планеты этой системы обращаются вокруг своей звезды на гораздо более близких расстояниях и гораздо быстрее, чем Земля обращается вокруг Солнца. Самая внутренняя и быстровращающаяся планета системы совершает полный оборот всего за пару земных дней; самая медленная обходит вокруг звезды вдесятеро дольше. Размеры шести планет лежат в интервале от примерно одного до трех диаметров Земли, а их массы составляют от 1.5 до 30 земных масс. Некоторые из этих планет каменные, но по размеру больше Земли — такие планеты называют «сверхземлями». Другие – газовые планеты, похожие на внешние планеты Солнечной системы, но гораздо меньших размеров. Их прозвали «мини-нептунами».

Хотя ни одна из найденных шести экзопланет не лежит в «зоне обитания» материнской звезды, исследователи полагают, что продолжая идти по резонансной цепочке, они могут найти в этой системе и другие планеты, которые могут оказаться внутри этой зоны или вблизи нее. Чрезвычайно Большой телескоп ESO (ELT), который должен начать работать в нынешнем десятилетии, сможет получить прямые изображения каменных экзопланет в «зоне обитания» звезды и даже получить характеристики их атмосфер, что позволит изучать системы, похожие на TOI-178, еще подробнее.