Астрономы обнаружили «очень эксцентричную» планету на пути к превращению в горячий Юпитер

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

Однако ученые подозревают, что горячие Юпитеры не всегда были такими горячими и на самом деле могли образоваться как «холодные Юпитеры» в более холодных и отдаленных окрестностях. Но как они превратились в газовых гигантов, обнимающих звезды, которых астрономы наблюдают сегодня, остается неизвестным.

Теперь астрономы из Массачусетского технологического института, Университета штата Пенсильвания и других стран обнаружили «прародителя» горячего Юпитера — своего рода юную планету, которая находится в процессе превращения в горячий Юпитер. И его орбита дает некоторые ответы на вопрос, как развиваются горячие Юпитеры. Результаты опубликованы в журнале Nature.

В число соавторов входят студент Массачусетского технологического института Хаедам Им, ведущий автор Арвинд Гупта из Пенсильванского государственного университета и NSF NOIRLab, а также сотрудники многих других университетов, институтов и обсерваторий.

Новая планета, которую астрономы назвали TIC 241249530 b, вращается вокруг звезды, которая находится примерно в 1100 световых годах от Земли. Планета вращается вокруг своей звезды по очень «эксцентричной» орбите, а это означает, что она подходит очень близко к звезде, прежде чем отлететь далеко, а затем вернуться назад по узкому эллиптическому кругу.

Если бы планета была частью нашей солнечной системы, она подошла бы к Солнцу в десять раз ближе, чем Меркурий, прежде чем пролететь мимо Земли, а затем вернуться обратно. По оценкам ученых, вытянутая орбита планеты имеет самый высокий эксцентриситет среди всех обнаруженных на сегодняшний день планет.

Орбита новой планеты также уникальна своей «ретроградной» ориентацией. В отличие от Земли и других планет Солнечной системы, которые вращаются в том же направлении, что и Солнце, новая планета движется в направлении, противоположном вращению ее звезды.

Команда провела моделирование орбитальной динамики и обнаружила, что сильно эксцентричная и ретроградная орбита планеты является признаком того, что она, вероятно, эволюционирует в горячий Юпитер в результате «миграции с высоким эксцентриситетом» — процесса, при котором орбита планеты колеблется и постепенно сжимается по мере ее движения. взаимодействует с другой звездой или планетой на гораздо более широкой орбите.

В случае TIC 241249530 b исследователи определили, что планета вращается вокруг первичной звезды, которая сама вращается вокруг вторичной звезды, как часть звездной двойной системы. Взаимодействие между двумя орбитами — планеты и ее звезды — привело к тому, что планета со временем постепенно мигрировала ближе к своей звезде.

Орбита планеты в настоящее время имеет эллиптическую форму, и планете требуется около 167 дней, чтобы совершить оборот вокруг своей звезды. Исследователи предсказывают, что через 1 миллиард лет планета перейдет на гораздо более узкую круговую орбиту, а затем будет вращаться вокруг своей звезды каждые несколько дней. К этому моменту планета полностью превратится в горячий Юпитер.

«Эта новая планета подтверждает теорию о том, что миграция с высоким эксцентриситетом должна составлять некоторую часть горячих юпитеров», — говорит Сара Миллхолланд, доцент кафедры физики в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института.

«Мы думаем, что когда эта планета сформировалась, это был холодный мир. А из-за драматической орбитальной динамики примерно через миллиард лет она станет горячим Юпитером с температурой в несколько тысяч кельвинов. Так что это огромный сдвиг от где это началось».

«Радикальные времена года»

Новая планета была впервые обнаружена в данных, полученных с помощью спутника НАСА для исследования транзитных экзопланет (TESS), миссии под руководством Массачусетского технологического института, которая отслеживает яркость близлежащих звезд на предмет «транзитов» или кратких провалов в звездном свете, которые могут сигнализировать о присутствии проходящей планеты. впереди и временно блокируя свет звезды.

12 января 2020 года TESS обнаружил возможный транзит звезды TIC 241249530. Гупта и его коллеги из штата Пенсильвания определили, что транзит соответствует прохождению планеты размером с Юпитер перед звездой. Затем они получили измерения лучевой скорости звезды от других обсерваторий, которые оценивают колебание звезды или степень ее движения вперед и назад в ответ на другие близлежащие объекты, которые могут гравитационно притягивать звезду.

Эти измерения подтвердили, что вокруг звезды вращалась планета размером с Юпитер, и что ее орбита была сильно эксцентричной, из-за чего планета находилась очень близко к звезде, прежде чем отбросить ее далеко.

До этого открытия астрономам была известна только одна планета, HD 80606 b, которая считалась ранним горячим Юпитером. Эта планета, открытая в 2001 году, до сих пор удерживала рекорд по наибольшему эксцентриситету.

«Эта новая планета испытывает действительно драматические изменения в звездном свете на всей своей орбите», — говорит Милхолланд. «Должны быть действительно радикальные времена года и абсолютно жгучая атмосфера каждый раз, когда она проходит рядом со звездой».

«Танец орбит»

Как могла планета попасть на такую экстремальную орбиту? И как его эксцентричность может меняться со временем? В поисках ответов Им и Миллхолланд провели моделирование динамики планетарных орбит, чтобы смоделировать, как планета могла развиваться на протяжении всей своей истории и как она могла продолжаться на протяжении сотен миллионов лет.

Команда смоделировала гравитационное взаимодействие между планетой, ее звездой и второй ближайшей звездой. Гупта и его коллеги заметили, что две звезды вращаются вокруг друг друга в двойной системе, в то время как планета одновременно вращается вокруг более близкой звезды. Конфигурация двух орбит чем-то напоминает цирковую артистку, которая крутит обруч вокруг своей талии, а второй обруч вращает вокруг запястья.

Миллхолланд и Им провели несколько симуляций, каждое с разным набором начальных условий, чтобы увидеть, какие условия, если продвинуться вперед на несколько миллиардов лет, создают конфигурацию планетарных и звездных орбит, которую команда Гупты наблюдала в наши дни. Затем они прогнали лучшее совпадение еще дальше в будущее, чтобы предсказать, как система будет развиваться в течение следующих нескольких миллиардов лет.

Эти симуляции показали, что новая планета, вероятно, находится в процессе эволюции в горячий Юпитер: несколько миллиардов лет назад планета сформировалась как холодный Юпитер, вдали от своей звезды, в регионе, достаточно холодном, чтобы конденсироваться и принимать форму. Недавно сформировавшаяся планета, вероятно, вращалась вокруг звезды по круговой траектории. Однако эта обычная орбита постепенно растягивалась и становилась эксцентричной, поскольку на нее воздействовали гравитационные силы от смещенной орбиты звезды со второй двойной звездой.

«Это довольно экстремальный процесс, поскольку изменения в орбите планеты огромны», — говорит Милхолланд. «Это большой танец орбит, который происходит на протяжении миллиардов лет, и планета просто движется вперед».

Моделирование показывает, что через миллиард лет орбита планеты стабилизируется по близкой круговой траектории вокруг своей звезды.

«Тогда планета полностью станет горячим Юпитером», — говорит Милхолланд.

Наблюдения команды, а также их моделирование эволюции планеты подтверждают теорию о том, что горячие Юпитеры могут образовываться в результате миграции с высоким эксцентриситетом — процесса, посредством которого планета постепенно перемещается на свое место посредством резких изменений своей орбиты с течением времени.

«Не только из этого, но и из других статистических исследований становится ясно, что миграция с высоким эксцентриситетом должна составлять некоторую часть горячих Юпитеров», — отмечает Милхолланд.

«Эта система подчеркивает, насколько невероятно разнообразными могут быть экзопланеты. Это загадочные другие миры, которые могут иметь дикие орбиты, рассказывающие историю о том, как они попали на этот путь и куда направляются. Для этой планеты она еще не совсем завершила свое путешествие. "

Больше информации: Arvind Gupta, A hot-Jupiter progenitor on a super-eccentric retrograde orbit, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07688-3. www.nature.com/articles/s41586-024-07688-3

Источник: Massachusetts Institute of Technology