Наконец-то расшифрована разница плотностей субНептуна

Впечатление этого художника показывает вид с планеты в системе TOI-178, находящейся на самой дальней орбите от звезды. Новое исследование Адриана Леле и его коллег с помощью нескольких телескопов, включая Очень Большой Телескоп ESO, показало, что резонансная система может похвастаться шестью экзопланетами и что все, кроме одной, ближайшей к звезде, движутся по своим орбитам в редком ритме. Автор: ESO/L. Calçada/<a href="http://spaceengine.org/">spaceengine.org</a>

Международная группа под руководством UNIGE, UNIBE и PlanetS доказала существование двух различных популяций субнептунов, разрешив споры в научном сообществе.

Большинство звезд нашей галактики являются домом для планет. Наиболее распространены субнептуны, планеты размером между Землей и Нептуном. Вычисление их плотности представляет собой проблему для учёных: в зависимости от метода измерения их массы выделяются две популяции: плотная и менее плотная.

Связано ли это с предвзятостью наблюдений или с физическим существованием двух различных популяций субнептунов? Недавняя работа NCCR PlanetS, Женевского университета (UNIGE) и Бернского университета (UNIBE) свидетельствует в пользу последнего.Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysicals.

В нашей галактике много экзопланет. Наиболее распространены те, что находятся между радиусом Земли (около 6400 км) и Нептуна (около 25 000 км), известные как «суб-Нептуны». По оценкам, от 30% до 50% солнцеподобных звезд содержат хотя бы один из них.

Вычисление плотности этих планет является научной задачей. Чтобы оценить их плотность, мы должны сначала измерить их массу и радиус. Проблема в том, что планеты, масса которых измерена с помощью метода TTV (изменение времени прохождения), менее плотные, чем планеты, масса которых была измерена с помощью метода лучевой скорости, другого возможного метода измерения.

«Метод TTV предполагает измерение изменений во времени прохождения. Гравитационные взаимодействия между планетами в одной системе немного изменят момент, в который планеты проходят перед своей звездой», — объясняет Жан-Батист Делиль, научный сотрудник отдела астрономии Факультет естественных наук UNIGE и соавтор исследования.

«Метод лучевых скоростей, с другой стороны, включает в себя измерение изменений скорости звезды, вызванных присутствием планеты вокруг нее».

Устранение любой предвзятости

Международная группа под руководством ученых из NCCR PlanetS, UNIGE и UNIBE опубликовала исследование, объясняющее этот феномен. Это связано не с ошибками отбора или наблюдения, а с физическими причинами.

«Большинство систем, измеренных методом TTV, находятся в резонансе», — объясняет Адриен Леле, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE и главный автор исследования.

Две планеты находятся в резонансе, когда отношение периодов их обращения является рациональным числом. Например, когда планета делает два оборота вокруг своей звезды, другая планета делает ровно один. Если несколько планет находятся в резонансе, то образуется цепочка резонансов Лапласа.

«Поэтому мы задались вопросом, существует ли внутренняя связь между плотностью и резонансной орбитальной конфигурацией планетной системы», — продолжает исследователь.

Чтобы установить связь между плотностью и резонансом, астрономам сначала пришлось исключить любую неточность в данных, тщательно отобрав планетные системы для статистического анализа. Например, большая планета с малой массой, обнаруженная в пути, требует больше времени для обнаружения по лучевым скоростям.

Это увеличивает риск прерывания наблюдений до того, как планета станет видна в данных о лучевой скорости и, следовательно, до того, как будет оценена ее масса.

«Этот процесс отбора приведет к смещению в литературе в пользу более высоких масс и плотностей планет, охарактеризованных с помощью метода лучевых скоростей. Поскольку у нас нет измерений их масс, менее плотные планеты будут исключены из нашего анализа», - объясняет Лелеу.

После того, как эта очистка данных была проведена, астрономы смогли определить с помощью статистических тестов, что плотность субнептунов ниже в резонансных системах, чем их аналогов в нерезонансных системах, независимо от метода, используемого для определения их массы..

Вопрос резонанса

Ученые предлагают несколько возможных объяснений этой связи, в том числе процессам формирования планетных систем. Основная гипотеза исследования заключается в том, что все планетные системы в первые несколько мгновений своего существования сходятся к состоянию резонансной цепочки, но только 5% из них остаются стабильными.

Этот процесс порождает две очень разные популяции субнептунов: плотную и менее плотную. «Численные модели формирования и эволюции планетных систем, которые мы разработали в Берне за последние два десятилетия, воспроизводят именно эту тенденцию: планеты в резонансе менее плотные.

«Более того, это исследование подтверждает, что большинство планетных систем были местом гигантских столкновений, подобных или даже более жестоких, чем то, которое породило нашу Луну», — заключает Янн Алиберт, профессор Отделения космических исследований и планетарных наук UNIBE (WP).), а также содиректор Центра космоса и обитаемости и соавтор исследования.

Больше информации: Adrien Leleu et al, Resonant sub-Neptunes are puffier, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202450587

Источник: University of Geneva