Команда астрономів на чолі з Ольгою Захожай (Інститут астрономії Макса Планка, Гейдельберг, Німеччина та Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, Україна) виявила гігантську екзопланету навколо сонцеподібної зірки
Вчені знайшли наймолодшу суперпланету типу Юпітера, виміряли її масу та розмір
25 листопада 2022 р. Маркус Нільбок / MPIAІнститут астрономії Макса Планка (МРІА), Гейдельберг
Команда астрономів на чолі з Ольгою Захожай з MPIA виявила гігантську екзопланету HD 114082 b навколо сонцеподібної зірки. Маючи вік лише 15 мільйонів років, цей супер-Юпітер є наймолодшою екзопланетою такого роду. Хоча її розмір відповідає діаметру Юпітера, маса HD 114082 b майже у вісім разів перевищує масу Юпітера. Поєднання цих величин важко узгодити із загальноприйнятими моделями формування планетних систем. Можливе розв’язання загадки вимагатиме оновлення цих моделей, щоб врахувати ймовірну наявність незвичайно великого планетарного ядра. Результати опубліковані у вигляді листа до редактора в журналі Astronomy & Astrophysics.
Астрономи виявили більш як 5000 екзопланет, з яких близько 15% є газовими гігантами з масою, щонайменше, як у Юпітера. Тепер група астрономів на чолі з Ольгою Захожай (Інститут астрономії Макса Планка, Гейдельберг, Німеччина та Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, Україна) відкрила екзопланету під назвою HD 114082 b зі своєрідним набором властивостей, які змушують вчених чухати потилиці.
ВЛАСТИВОСТІ ЕКЗОПЛАНЕТИ HD 114082 b.
Назва: HD 114082 b. Відстань від Землі: 310 світлових років, Сузір’я: Центавр. Маса: 8,0 ± 1,0 Маси Юпітера. Радіус: 1,00 ± 0,03 Радіусу Юпітера. Вік: 15 ± 6 мільйонів років. Орбітальний період: 109,8 ± 0,4 дня. Велика напіввісь орбіти: 0,51 ± 0,01 a.u. Метод виявлення: радіальна швидкість.
Планета приблизно така ж, як Юпітер, але її маса досягає восьми мас Юпітера. «Порівняно з прийнятими на даний момент моделями, HD 114082 b приблизно вдвічі-втричі щільніша як для молодого газового гіганта, якому всього 15 мільйонів років», — каже Ольга Захожай, головний автор дослідження. Отримана середня щільність цієї газової планети вдвічі більша, ніж у Землі, що справді дивно. Зрештою, Земля — кам’яниста планета із залізо-нікелевим ядром, а не з водню та гелію — найлегших елементів у Всесвіті, з яких майже повністю складається Юпітер.
«HD 114082 b на даний момент є наймолодшим відомим газовим гігантом із встановленою масою та радіусом», — зазначає Захожай. У результаті це обіцяє навчити астрономів чомусь новому щодо формування газових гігантів взагалі.
ДВА РІЗНИХ МЕХАНІЗМИ ФОРМУВАННЯ ПЛАНЕТ
«Ми вважаємо, що гігантські планети можуть формуватися двома можливими способами», — говорить Ральф Лаунхардт, співавтор з MPIA. «Обидва відбуваються всередині протопланетного диска газу та пилу, розподіленого навколо молодої центральної зірки. Перший процес, відомий як «нарощення ядра», передбачає на першому етапі накопичення твердого ядра кам’янистого матеріалу. Як тільки він досягає критичної маси, його гравітаційна сила притягує навколишній газ, що призводить до акреції водню та гелію в процесі бігу, щоб утворити гігантську планету. Другий режим, названий «нестабільністю диска», включає гравітаційно нестабільні пакети щільного газу, які руйнуються безпосередньо, перетворюючись на гігантську планету без скелястого ядра.
Залежно від припущень, зроблених для цих двох сценаріїв, газ повинен охолоджуватися з різною швидкістю, визначаючи температуру молодих газових планет-гігантів. Отже, нові планети можуть зазнати «холодного старту» або «гарячого старту», що призведе до спостережуваних відмінностей, які потенційно можуть розрізняти ці моделі, особливо в молодому віці.
ЗВИЧНІ МОДЕЛІ НЕ ПІДХОДЯТЬ
Зараз астрономи віддають перевагу сценарію акреції ядра з гарячим стартом для планет-гігантів, таких як HD 114082 b . Оскільки гарячий газ займає більший об’єм, ніж холодний, слід виміряти помітні відмінності в розмірах спостережуваних планет. Цей контраст у розмірах більш виражений для молодих планет. Однак він стає менш вираженим протягом перших сотень мільйонів років охолодження після формування.
За номіналом HD 114082 b не відповідає очікуванням астрономів. Поєднання маси і розміру тут несумісне з картинкою гарячого старту. Натомість, здається, воно краще відповідає сценарію холодного запуску. Цікаво, що інші, трохи старші кандидати, цитовані в інших дослідженнях, демонструють таку ж поведінку. «Занадто рано відмовлятися від поняття гарячого старту», — пояснює Ральф Лаунхардт.
«Все, що ми можемо сказати, це те, що ми все ще не дуже добре розуміємо формування планет-гігантів. Зрозуміло, що в порівнянні з поточними моделями HD 114082 b занадто малий для своєї маси. Або він має надзвичайно велике тверде ядро, або моделі неправильні та недооцінюють швидкість, з якою ці газові гіганти можуть охолоджуватися, або і те, і інше.
КОРИСТЬ ДОВГОСТРОКОВИХ ПРОЄКТІВ
Відкриття HD 114082 b стало результатом великої спостережної програми під назвою RVSPY (Дослідження радіальних швидкостей планет навколо молодих зірок). Наразі вона складається з 775 годин спостережень за допомогою 2,2-метрового телескопа ESO/MPG, керованого MPIA, на майданчику Європейської південної обсерваторії (ESO) Ла Сілла в Чилі, розподілених на 4,5 роки. RVSPY є хорошим прикладом високопродуктивних астрономічних досліджень, які проводяться на телескопах із постійним доступом протягом тривалого періоду. Такі дослідження навряд чи були б можливими з новітніми телескопами, оскільки час спостереження, виділений на проєкт, сильно обмежений через високий попит.
RVSPY має на меті виявити наявність (гарячих, теплих і холодних) планет-гігантів навколо молодих зірок. Для цього астрономи отримують часові ряди спектрів 111 молодих зірок, тобто розділяють світло зірок на основні компоненти кольору, подібні до того, що ми бачимо у веселці. Крихітні періодичні зсуви в зоряних спектрах можуть вказувати на перекидання спостережуваної зірки, викликане гравітаційним тяжінням планети, що обертається. В принципі, активність зірок, наприклад пульсації або спалахи, може скомпрометувати вимірювання, особливо в молодих зірках, таких як HD 114082. Однак якість даних RVSPY достатньо хороша, щоб поза всяким сумнівом виявити сигнал від зірки, що коливається. Команда також включила старіші архівні дані з інших телескопів, щоб розширити охоплення попередніх досліджень.
ПОДІЯ ТРАНЗИТУ ЗАВЕРШУЄ АНАЛІЗ
Хоча астрономи застосовують цей так званий метод радіальної швидкості (RV), щоб визначити масу планети та тривалість одного оберту навколо її центральної зірки, орбітальний період, вони повинні покладатися на іншу техніку, щоб визначити її розмір. Припустимо, що орбіта планети орієнтована на нас таким чином, що випадково перетинає центральну зірку. Астрономи називають таку подію «транзитом». Коли це відбувається, періодичне незначне зменшення отриманого світла під час транзиту може бути безпосередньо переведено в радіус планети та допомагає уточнити її орбітальний період.
«Ми вже підозрювали майже крайову конфігурацію планетарної орбіти через кільце пилу навколо HD 114082, виявлене кілька років тому», — каже Ольга Захожай. «Тим не менш, нам пощастило знайти в даних TESS спостереження з прекрасною кривою транзитного світла, яка покращила наш аналіз». TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) — це космічний зонд NASA, який шукає екзопланети навколо зірок, відносно близьких до Землі.
Об’єднавши ці вимірювання, Захожай та її колеги виявили, що HD 114082 b обертається навколо своєї, схожої на Сонце батьківської зірки протягом 110 днів на відстані приблизно 0,5 астрономічних одиниць. Однією астрономічною одиницею є середня відстань між Сонцем і Землею. Таким чином, вона нагадує орбіту Меркурія навколо нашого сонця.
ПОТРІБНІ КРАЩІ МОДЕЛІ
HD 114082 b є однією з трьох молодих планет-гігантів віком до 30 мільйонів років з відомими масами та розмірами. І всі вони, мабуть, несумісні з найпоширенішими моделями гарячого старту. Хоча астрономи розглядають низьку статистику з трьома з трьох, здається малоймовірним, що всі ці планети є викидами. «Хоча для підтвердження цієї тенденції потрібно більше таких планет, ми вважаємо, що теоретики повинні почати переоцінку своїх розрахунків», — зазначає Захожай.
«Це захоплює, як результати наших спостережень повертаються до теорії формування планет. Вони допомагають поліпшити наші знання про те, як ростуть ці гігантські планети, і підказують нам, де є прогалини в нашому розумінні».
ДОВІДКОВА ІНФОРМАЦІЯ
У цьому дослідженні беруть участь дослідники MPIA: Ольга В. Захожай (також Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України, Київ, Україна), Ральф Лаунхардт, Трифон Трифонов, Мартін Кюрстер, Томас Хеннінг та Габріель-Домінік Марло (також Університет Дуйсбург-Ессен, Німеччина; Тюбінгенський університет, Німеччина; Бернський університет, Швейцарія).
На фото:
На задньому плані: чорна поверхня з окремими яскравими маленькими крапками, що представляють зірки. На передньому плані: ліва половина зображення складається з сірої кулі з різними відтінками та смугами, яка здалеку освітлюється жовтим джерелом світла.Концепція художника про газову гігантську екзопланету, що обертається навколо зірки, схожої на Сонце.
Молода екзопланета HD 114082 b обертається навколо своєї сонцеподібної зірки протягом 110 днів на відстані 0,5 астрономічних одиниць. © NASA/JPL-Caltechhttp://www.mpia.de/news/science/2022-18-hd114082b…
ВІД ГАЗЕТИ “СВІТ”:
Ми привітали керівника Головної астрономічної обсерваторії НАН України академіка Ярослава ЯЦКОВА з видатним успіхом команди, очолюваної вихованкою ГАО Ольгою ЗАХОЖАЙ. Ярослав Степанович розповів, що молода науковиця – продовжувачка славного роду астрономів. Її батько Володимир Анатолійович Захожай, якого, на жаль, уже немає, – професор Харківського університету, директор Харківської обсерваторії, віцепрезидент Української астрономічної асоціації – багато зробив для вивчення фізики зірок, субзірок й екзопланет, створив каталог найближчих зірок, і цей каталог увійшов до світового центру астрономічних даних у Страсбурзі. Донька – гідна продовжувачка свого батька, вона захоплена астрономією і вже чимало років займається дослідницькою роботою, бере участь у спостережній програмі RVSPY, що здійснюється за допомогою 2,2-метрового телескопа ESO/MPG від Інституту Макса Планка у Європейській південній обсерваторії в Чилі, а також бере участь у проєктах ГАО Національного фонду досліджень України. «Я дуже шаную Ольгу за її наполегливість, відданість науці, ми всі гордимося нею», – сказав Ярослав Степанович.