Как открытие DS Tuc Ab изменит понимание процесса формирования планет
Святослав Иванов
•
Группа астрофизиков из Университета Южного Уэльса недавно открыла планету DS Tuc Ab, которая вращается вокруг звезды в двойной системе и сформировалась без сильного воздействия гравитационного притяжения второй звезды. Это позволило ученым понять, как возникают планетарные системы. При этом ранее астрофизики знали о нескольких моделях формирования таких космических объектов, но в точности нельзя было сказать, какая из них работает. «Хайтек» пересказывает главные тезисы из исследования австралийских ученых.
Астрофизики из Университета Южного Уэльса под руководством доктора Монтета обнаружили молодую планету DS Tuc Ab, которая расположена на расстоянии около 150 световых лет от Земли в двойной звездной системе DS Tucanae. Открытие произошло на основе данных телескопа TESS, саму планету астрофизики изучали с помощью спектрографа Planet Finder — в частности, ученым он был необходим для измерения эффекта Росситера — Маклафлина, представляющего собой относительный угол между орбитой планеты и осью вращения ее звезды.
Согласно всем математическим моделям формирования планетарных систем вокруг звезд, орбита DS Tuc Ab и ее форма должна была сильно измениться под гравитационным воздействием второй звезды.
Мы ожидали, что тяга второй звезды наклонит вращающийся диск из газа и пыли, который когда-то окружал главную звезду, то есть произойдет процесс, искажающий орбиту. Но мы не нашли никаких доказательств того, что она подверглась этому воздействию. Мы также обнаружили, что планета сформировалась в результате относительно спокойных процессов — это означает, что планеты, подобные Земле, могут выжить в таких двойных системах, как эта.
Доктор Бенджамин Монтет, научный сотрудник Университета Нового Южного Уэльса
Планета DS Tuc Ab вращается вокруг своей звезды приблизительно под углом 12 градусов от оси. Такой небольшой наклон является свидетельством того, что гравитация звезды-компаньона не смогла деформировать протопланетный диск, где формировалась DS Tuc Ab — в то время, как планеты в Солнечной системе имеют достаточно малый наклон, для планет, которые формируются в условиях двойной звездной системы, это крайне необычно. Иногда они вращаются вокруг своей звезды под случайными углами, достигая 90 градусов с осью из звезды.
Открытие DS Tuc Ab является пока первым доказательством того, что такие орбитальные углы вращения формируются постепенно — по мере существования планетной системы, а не во время ее формирования.
Сейчас открытой планете всего 40 млн лет — она является одной из десяти известных планет, возраст которых составляет меньше 100 млн лет. Ее открыли транзитным способом командой миссии TESS. DS Tuc Ab является супернептуном или субсатурном, пока ученые не определились с ее типом. Масса планеты может составлять до 20 земных.
Метод транзитной фотометрии — самый известный и распространенный способ обнаружения экзопланет, основанный на наблюдениях за прохождением планеты на фоне звезды. Позволяет определить размеры, а в сочетании с методом Доплера — плотности планет. Также этот способ дает информацию о наличии и составе атмосферы благодаря прохождению света через ее атмосферу и изменение его спектра.
На конец 2019 года ученым удалось с помощью транзитного метода обнаружить 2 968 планет в 2 229 планетных системах.
Открытие DS Tuc Ab ставит перед учеными вопросы о первых циклах формирования планетарных систем из протопланетного диска. Раньше считалось, что даже на первых этапах создания этих космических объектов они ведут себя так же, как и впоследствии сформированные планеты, однако оказалось, что это не так.
Одной из самых молодых открытых планет на сегодняшний день является K2-33b, или EPIC 205117205.01. Ее возраст составляет 9,3 млн лет и она является ближайшим объектом к звезде K2-33 на расстоянии 456 световых лет от звезды. Планета была обнаружена миссией Kepler также с помощью транзитного метода.
Самой молодой экзопланетой является V830 Tau b, ее возраст составляет не более 2 млн лет. Мы не стали рассказывать только об этой планете, потому что среди части научного сообщества существует мнение, что V830 Tau b — не отдельная планета, а осколок другой экзопланеты.
Звездная система K2-33
При этом теории формирования планет в обычных и двойных звездных системах отличаются друг от друга.
Из всех известных планетарных систем превалирующим видом является система с одной главной звездой, вокруг которой вращаются различные объекты. Однако, как в случае с DS Tuc Ab, планеты могут появляться и в двойных звездных системах, когда на планету влияют две различные звезды.
По последним данным, таких систем существует не меньше 64. Экзопланеты в таких системах существуют по нескольким возможным сценариям.
Когда экзопланета вращается вокруг одной из звезд. К этой категории относится большая часть экзопланет в двойных звездных системах.
Планеты, которые вращаются одновременно вокруг двух звезд либо постоянно меняют свою орбиту по мере приближения к одному из объектов. К таким планетам относятся NN Ser, DP Leo, HU Aqr, UZ For, Kepler-16 (AB)b, Kepler-34 (AB)b и Kepler-35 (AB)b — у них очень искаженные орбиты и даже теоретическая жизнь на них невозможна.
Значительная часть этих планет существуют в звездных системах, где две материнские звезды находятся на расстоянии от 35 до 100 астрономических единиц друг от друга. Планеты в более протяженных системах обычно имеют массу от 0,01 MJ (массы Юпитера или 318 масс Земли) до 10 MJ, в то время как массы планет с меньшими размерами составляют от 0,1 до 10 MJ.
Изображение звезды DS Tuc A
Важной особенностью формирования планетарных систем в условии двух звезд является размер протопланетного диска. В случае одиночных звезд, например, у Солнца, протопланетный диск может тянуться вплоть до пояса Койпера — 50 астрономических единиц. В случае двойной звезды этот протопланетный диск заканчивается там, где начинается зона влияния звезды. Таким образом, протяженность протопланетного диска в таких зонах в 2–5 раз меньше расстояния меньше двумя звездами.
Главным открытием в случае обнаружения DS Tuc Ab является отсутствие искривления планеты в сторону второй парной звезды в системе, тогда как раньше ученые считали, что протопланетный диск должен быть обязательно искривлен в сторону второй звезды. Астрофизики считали, что он как минимум должен вытягиваться или деформироваться, а в некоторых случаях даже разрываться из-за влияния второй звезды.
Положение звезды DS Tuc A на звездной карте
Сейчас астрофизики будут пересчитывать уже существующие модели формирования планетарных систем в местах, где находится более двух звезд. При этом такие модели строятся также на существовании нескольких типов формирования планетарных систем.
Основной сценарий заключается в том, что планетарная система после формирования практически не меняется — как это было с Солнечной системой. Иногда могут случаться различные катаклизмы, например, столкновение крупного астероида с планетой и дальнейшее изменение ее орбиты, однако это форс-мажорные обстоятельства, которые невозможно просчитывать.
При этом в двойной звездной системе достаточно вероятным является сценарий, когда по мере формирования планет из орбиты также начинают взаимодействовать друг с другом — из-за достаточно серьезного воздействия двух внешних звезд. В результате планеты постепенно меняют свои орбиты, а в самой планетной системе возникают нестабильности. Это может привести к тому, что часть планет будет просто вытолкнута разовым взаимодействием на периферию системы.
Ученые при этом отмечают, что нахождение в двойной звездной системе означает не только две яркие звезды на горизонте. Возможность катастрофы, связанной с катаклизмом внутри этих звезд, в подобных системах также увеличивается в два раза.
