Странная пара планет, которая не должна существовать, получила объяснение

Необычная пара планет — мини-Нептун и горячий Юпитер — вероятно, сформировались за «линией замерзания» своей звезды, в более холодной области протопланетного диска. Credit: Kamalika Chakraborty

Примерно в 190 световых годах от Земли астрономы обнаружили крайне необычную пару планет. Массивный горячий Юпитер, тип гигантской планеты, который обычно встречается в одиночестве, делит свою систему с меньшим мини-Нептуном, обращающимся еще ближе к их звезде. Эта редкая конфигурация озадачивала ученых с момента ее открытия в 2020 году.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) внимательно изучили атмосферу внутренней планеты и обнаружили новые ключи к разгадке того, как сформировалась эта странная система.

JWST обнаружил тяжелую, богатую водой атмосферу

В исследовании, опубликованном в журнале Astrophysical Journal Letters, команда использовала космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) для анализа атмосферы мини-Нептуна. Это первый случай, когда ученые измерили состав атмосферы мини-Нептуна, находящегося внутри орбиты горячего Юпитера.

Наблюдения показывают, что атмосфера планеты на удивление плотная и наполнена более тяжелыми молекулами, включая водяной пар, углекислый газ, диоксид серы и следы метана. Такая атмосфера вряд ли могла бы образоваться, если бы планета сформировалась близко к своей звезде, где обычно преобладают более легкие газы.

Вместо этого результаты указывают на совершенно иное происхождение.

Планеты, вероятно, сформировались далеко от своей звезды

По мнению исследователей, и мини-Нептун, и горячий Юпитер, вероятно, сформировались гораздо дальше от своей звезды, в более холодной области раннего диска из газа и пыли. В такой среде ледяной материал и летучие соединения могли накапливаться легче, позволяя планетам создавать более толстые и тяжелые атмосферы.

Со временем обе планеты, вероятно, мигрировали внутрь вместе, приближаясь к звезде, сохраняя при этом свои атмосферы и необычное орбитальное расположение.

Результаты предоставляют первые четкие доказательства того, что мини-Нептуны могут формироваться за «линией замерзания» звезды — расстоянием, на котором температуры достаточно низки, чтобы вода замерзала в лед.

«Это первый случай, когда мы наблюдали атмосферу планеты, находящейся внутри орбиты горячего Юпитера, — говорит Саугата Барат, постдок из Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при MIT и ведущий автор исследования. — Это измерение говорит нам, что этот мини-Нептун действительно сформировался за линией замерзания, подтверждая, что такой механизм формирования существует».

В состав исследовательской группы входят ученые из учреждений по всему миру, включая MIT, Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, Университет Южного Квинсленда, Техасский университет в Остине и Лундский университет.

Редкая и загадочная планетная система

Мини-Нептуны меньше Нептуна и состоят в основном из газа, окружающего каменное ядро. На самом деле это самый распространенный тип планет в Млечном Пути, хотя в нашей Солнечной системе их нет.

В 2020 году Челси Х. Хуанг, тогда постдокторант Torres в MIT (ныне преподаватель Университета Южного Квинсленда), идентифицировала эту необычную систему. Мини-Нептун был обнаружен на орбите рядом с горячим Юпитером — то, что астрономы видят редко.

Используя данные космического телескопа NASA TESS, команда изучила звезду TOI-1130 и обнаружила обе планеты. Мини-Нептун совершает оборот каждые четыре дня, в то время как горячему Юпитеру требуется восемь дней.

«Эта система была уникальной, — говорит Хуанг. — Горячие Юпитеры «одиноки», то есть у них нет планет-компаньонов внутри их орбит. Они настолько массивны, и их гравитация настолько сильна, что все, что находится внутри их орбиты, просто рассеивается. Но каким-то образом у этого горячего Юпитера выжил внутренний компаньон. И это вызывает вопросы о том, как такая система могла сформироваться».

Выбор времени для наблюдения был непростой задачей

Открытие побудило исследователей более детально изучить планеты с помощью JWST, сосредоточившись на внутреннем мире, известном как TOI-1130b.

Однако наблюдение за планетой было непростым. В отличие от большинства планет, которые следуют предсказуемым орбитальным графикам, эта пара находится в так называемом «резонансе среднего движения». Гравитация каждой планеты слегка изменяет орбиту другой, делая их движения менее регулярными и более трудными для прогнозирования.

Чтобы преодолеть это, команда под руководством Юдит Корт из Лундского университета собрала предыдущие наблюдения и создала модель, чтобы определить точное время, когда планеты будут проходить перед своей звездой так, чтобы это мог наблюдать JWST.

«Это был сложный прогноз, и мы должны были попасть в точку», — говорит Барат.

Детальный взгляд на химию планеты

Когда время было выбрано правильно, JWST получил подробные данные на нескольких длинах волн света.

«Прелесть JWST в том, что он наблюдает не только в одном цвете, но и в разных цветах или длинах волн, — объясняет Барат. — И конкретные длины волн, которые поглощает планета, могут многое рассказать о составе ее атмосферы».

Данные выявили сильные сигнатуры воды, углекислого газа и диоксида серы, а также небольшие количества метана. Эти более тяжелые молекулы контрастируют с более легкими водородом и гелием, которые обычно ожидаются на планетах, формирующихся вблизи своих звезд.

Это открытие бросает вызов предыдущим предположениям и поддерживает идею о том, что TOI-1130b сформировалась гораздо дальше, прежде чем мигрировать внутрь.

Доказательства планетарной миграции

Планета, вероятно, набрала свою атмосферу в холодной области за линией замерзания, где вода замерзает на пылинках, образуя ледяные частицы. Когда молодая планета двигалась внутрь, лед испарился бы, оставив после себя толстую атмосферу, которую мы видим сегодня.

Барат говорит, что присутствие этих тяжелых молекул подтверждает, что обе планеты, вероятно, возникли во внешних областях своей системы и мигрировали внутрь вместе, сохраняя свои атмосферы.

«Эта система представляет собой одну из самых редких архитектур, когда-либо обнаруженных астрономами, — говорит Барат. — Наблюдения TOI-1130b дают первый намек на то, что такие мини-Нептуны, формирующиеся за линией воды/льда, действительно существуют в природе».

Эта работа была частично поддержана NASA.

Источники: sciencedaily.com, Massachusetts Institute of Technology

Оригинальное исследование: Saugata Barat et al. JWST Unveils a High Mean Molecular Weight Atmosphere for Mini-Neptune TOI-1130 b: Evidence for Formation Beyond the Water Ice Line. The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/ae5f8b