Изображение художником четырех экзопланет, вращающихся по орбитам. Интенсивное излучение звезды-хозяина, возможно, нагревает их плотные атмосферы, вызывая утечку атмосферы в космос. Фото: Астробиологический центр
Астрономы были удивлены, узнав в последние годы, что у большинства солнцеподобных звезд есть по крайней мере одна планета, которая находится между Землей и Нептуном по размерам и вращается ближе, чем Меркурий в нашей собственной солнечной системе — размеры и орбиты, отсутствующие в нашей солнечной системе. Эти миры, известные как суперземли и Субнептуны, являются наиболее распространенным типом планет в Млечном Пути. Однако, несмотря на их распространенность, остается неясным, как они образуются. Международная исследовательская группа обнаружила недостающий фрагмент этой головоломки, проведя прямые измерения четырех чрезвычайно молодых планет, эволюционирующих в направлении этих общих планетарных форм.
Изучая систему V1298 Тау, исследователи получили необычайно ранний снимок планетарного развития. Их измерения показывают, что планеты, захваченные процессом превращения в суперземли и субнептуны, наблюдаются по всей галактике.
«Самое интересное, что мы видим предварительный просмотр того, что станет самой обычной планетной системой», — говорит Джон Ливингстон, ведущий автор исследования из Астробиологического центра в Токио, Япония. «Четыре планеты, которые мы изучали, скорее всего, превратятся в «суперземли» и «субнептуны» — наиболее распространенные типы планет в нашей галактике, но у нас никогда не было такого четкого представления о них в годы их становления».
Молодая звездная система, застывшая во времени
По астрономическим меркам, V1298 Тау удивительно молода, ей всего около 20 миллионов лет — мгновение ока по сравнению с историей Солнца, насчитывающей 4,5 миллиарда лет. Вокруг этой энергичной звезды вращаются четыре крупные планеты, каждая из которых имеет размеры от Нептуна до Юпитера. Эти миры, по-видимому, находятся на недолговечной и хаотичной стадии быстрых изменений, что дает представление о том, как когда-то выглядели многие зрелые планетные системы.
Астрономы полагают, что эта система представляет собой раннюю версию плотно упакованных многопланетных систем, обычно встречающихся по всей галактике. Подобно тому, как Розеттский камень помог ученым интерпретировать древние иероглифы, V1298 Tau служит ключевым ориентиром для понимания того, как формируются наиболее распространенные планеты галактики.
Измерение массы планет без доплеровских сигналов
В течение десяти лет команда исследователей использовала комбинацию космических и наземных телескопов для наблюдения за системой. Они отслеживали точные моменты, когда каждая планета проходила перед своей звездой, — события, называемые транзитами. Эти наблюдения показали, что орбиты планет не были идеально устойчивыми. Вместо этого планеты незаметно притягивались друг к другу, вызывая небольшие, но ощутимые изменения во времени их прохождения.
Эти вариации, известные как вариации времени прохождения (TTV), позволили ученым впервые напрямую рассчитать массы планет.
«Для астрономов наш «доплеровский» метод взвешивания планет предполагает проведение тщательных измерений скорости звезды, когда она притягивается своей планетной свитой». — сказал Эрик Петигура, соавтор исследования из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Но молодые звезды настолько неоднородны, активны и темпераментны, что доплеровский метод не подходит». Используя TTV, мы, по сути, использовали собственную гравитацию планет по отношению друг к другу. Точное определение того, как они притягиваются к своим соседям, позволило нам рассчитать их массы и обойти проблемы, связанные с этой молодой звездой».
Планеты, легкие, как космическая сахарная вата
Измерения массы показали поразительный результат. Несмотря на то, что планеты в пять-десять раз больше Земли, их масса всего в пять-пятнадцать раз больше. Это сочетание делает их необычайно плотными — они больше похожи на сахарную вату размером с планету, чем на твердые, скалистые миры.
«Необычно большие радиусы молодых планет привели к гипотезе о том, что у них очень низкая плотность, но это никогда не измерялось», — сказал Тревор Дэвид, соавтор из Института Флэтайрона, который руководил первоначальным открытием системы в 2019 году. «Впервые взвесив эти планеты, мы получили первое наблюдательное доказательство. Они действительно исключительно «пухлые», что дает нам важнейший, долгожданный ориентир для теорий эволюции планет».
Со временем они теряют атмосферу и сжимаются.
Эта чрезвычайная выпуклость помогает решить давний вопрос о формировании планет. Если бы планеты просто формировались и медленно охлаждались, они были бы гораздо компактнее. Вместо этого анализ показывает, что эти молодые миры, должно быть, резко изменились на ранней стадии, быстро потеряв значительную часть своей плотной атмосферы, когда окружающий их звезду газовый диск исчез.
«Эти планеты уже претерпели значительные изменения, быстро теряя большую часть своей первоначальной атмосферы и охлаждаясь быстрее, чем можно было бы ожидать от стандартных моделей», — объясняет Джеймс Оуэн, соавтор из Имперского колледжа Лондона, который руководил теоретическим моделированием. «Но они все еще эволюционируют. В течение следующих нескольких миллиардов лет они будут продолжать терять свою атмосферу и значительно сжиматься, превращаясь в компактные миры, которые мы видим по всей галактике».
Петигура сравнил важность этой системы со знаменитой находкой ископаемых останков. «Я вспоминаю знаменитую окаменелость «Люси», одного из наших предков-гоминидов, жившего 3 миллиона лет назад и являвшегося одним из ключевых «недостающих звеньев» между обезьянами и людьми», — сказал он. «V1298Tau — это важнейшее звено между звездами и планетами, образующими туманности, которые мы видим по всему миру. небо и зрелые планетные системы, которые мы уже открыли тысячами».
Почему наша Солнечная система отличается от других планет?
Сегодня V1298 Tau является естественной лабораторией для изучения того, как возникают самые распространенные планеты в Млечном Пути. Наблюдения за этой системой дают редкое представление о хаотичной и трансформирующей ранней жизни планет и могут помочь объяснить, почему в нашей собственной солнечной системе отсутствуют суперземли и Субнептуны, которые доминируют в других местах.
«Это открытие коренным образом меняет наши представления о планетных системах», — добавляет Ливингстон. «V1298 Tau показывает нам, что сегодняшние суперземли и субнептуны изначально были гигантскими, раздутыми мирами, которые со временем сжимаются. По сути, мы наблюдаем за созданием самой успешной планетарной архитектуры во Вселенной».