Планета, яка не мала права існувати, виявлена навколо давньої бідної зірки

Астрономи виявили об’єкт, який за всіма теоріями просто не повинен існувати там, де він є. У новому дослідженні, про яке повідомляють науковці на arXiv, описано відкриття гарячого Юпітера TOI-7169 b — гігантської планети, що мчить навколо своєї зірки за 3,4 дні і при цьому належить до системи, де вік зірки сягає 12,3 мільярда років, а вміст металів у ній катастрофічно низький. Для науки це майже парадокс: вважалося, що такі планети просто не можуть формуватися в подібних умовах.

Що відомо коротко

• TOI-7169 b відкрито за допомогою космічного телескопа TESS — супутника NASA, що спеціалізується на пошуку транзитних екзопланет
• Зірка-господар TOI-7169 є однією з найдавніших і найбідніших на метали зірок, навколо яких будь-коли знаходили транзитну планету-гігант
• Металічність зірки — [Fe/H] = −0,72 — тобто заліза в ній майже в 5 разів менше, ніж у Сонця
• Сама планета «роздута»: її радіус становить 1,475 радіуса Юпітера при масі лише 0,41 маси Юпітера — надзвичайно низька для такого розміру щільність
• Дослідження опубліковано у вигляді препринту на сервері arXiv і подано до рецензованого журналу

Що це за явище

Гарячий Юпітер — це клас екзопланет, схожих за розміром і масою на Юпітер, але таких, що обертаються навколо своєї зірки на дуже малій відстані. Там, де наш Юпітер робить один оберт за 12 років, гарячий Юпітер завершує рік за кілька земних діб. Через таку близькість до зірки температура на їхній поверхні може перевищувати тисячу градусів.

Вважається, що такі планети не могли сформуватися безпосередньо на близьких орбітах — адже там занадто жарко для накопичення льоду та пилу, необхідного для росту планетного ядра. За найпоширенішою теорією, вони народилися далеко від зірки, а потім мігрували ближче — під впливом гравітаційних взаємодій з іншими планетами або з газовим диском.

Деталі відкриття

Сигнал транзиту від TOI-7169 виявили в даних TESS у секторі 83. Подальші спостереження із земних обсерваторій з використанням спектрографа TRES дозволили визначити масу планети та детально охарактеризувати зірку-господаря.

Зірка TOI-7169 виявилася справжньою реліквією: її вік оцінюється в 12,3 ± 0,6 мільярда років — це майже на 3 мільярди років старше за Сонце і зовсім трохи молодше за сам Всесвіт. При цьому зірка збагачена альфа-елементами (киснем, магнієм, кремнієм) відносно заліза — ознака того, що вона сформувалася в ранній Всесвіт, коли надмасивні зірки вже «вибухали», але довговічніші не встигли ще збагатити галактику залізом.

Галактична орбіта зірки обмежена тонким диском Чумацького Шляху — попри її похилий вік, вона не є представником гало чи товстого диска. Планета TOI-7169 b обертається навколо неї за 3,4373125 дня на відстані значно меншій, ніж від Меркурія до Сонця. При цьому її надзвичайно мала щільність — лише 0,159 г/см³ — свідчить про «роздуту» атмосферу, розпечену зоряним опроміненням.

Що показали нові спостереження

Ключовий виклик, який ця планета кидає науці, пов’язаний із так званою металічністю зірки. Десятиліттями астрономи знали: більшість газових гігантів утворюється навколо зірок, багатих на метали. Логіка проста — чим більше важких елементів у протопланетному диску, тим більше будівельного матеріалу є для формування твердого ядра майбутньої планети.

TOI-7169 b руйнує цю закономірність. Її зірка має металічність [Fe/H] = −0,72 — одну з найнижчих серед усіх відомих зірок з транзитними планетами-гігантами. Схожа ситуація спостерігається і з іншою нещодавньою знахідкою — «забороненою планетою» TOI-5205 b навколо маленького червоного карлика, яка також демонструє аномально низьку металічність атмосфери. Разом ці відкриття формують нову картину: гігантські планети, можливо, здатні виникати навіть у середовищах, бідних на важкі елементи.

«TOI-7169, мабуть, є найстарішою і найбіднішою на метали зіркою, навколо якої наразі відома транзитна планета-гігант», — зазначають автори роботи.

Чому це важливо для науки

Відкриття TOI-7169 b має значення, що виходить далеко за межі однієї планети. Якщо гарячі Юпітери можуть утворюватися навколо надстарих і бідних на метали зірок, це означає, що планетоутворення в ранньому Всесвіті було значно поширенішим, ніж вважалося. А це, в свою чергу, відкриває можливість існування планет — і потенційно навіть умов для зародження життя — у системах, які сформувалися лише через мільярд-два роки після Великого вибуху.

Особливий інтерес представляє майбутнє дослідження атмосфери планети. За допомогою телескопа Джеймс Вебб можна буде провести трансмісійну спектроскопію: коли планета проходить перед зіркою, її атмосфера залишає «відбитки» в зоряному світлі. Це дозволить зрозуміти, як низька металічність зірки відбивається на хімічному складі атмосфери планети. Про те, як нещодавно виявлено теплу планету з коротким роком у сусідній системі за допомогою того самого TESS, можна дізнатися з матеріалу про екзопланету TOI-4641 b.

Дослідники також сподіваються з’ясувати, чи є у TOI-7169 зовнішні планети-компаньйони, що могли б пояснити міграцію гарячого Юпітера через механізм гравітаційного розсіювання. Наявні дані радіальних швидкостей за 9 років вже виключають масивних сусідів з коротким орбітальним періодом, але тьмяні червоні карлики чи коричневі карлики на далеких орбітах поки що залишаються кандидатами. Дізнатися більше про те, як вчені шукають планети навколо «тихих» зірок, можна з матеріалу про 7 нових світів навколо спокійних зірок.

Нарешті, система TOI-7169 важлива й для розуміння хімічної еволюції галактики. Порівнюючи склад планетних атмосфер у зірок різного віку та металічності, астрономи можуть відновити «меню» будівельних матеріалів, доступних на різних етапах космічної історії. А результати роботи, зокрема, дозволили астрономам розкрити роль гігантських зірок у ранньому Всесвіті.

Цікаві факти

• Телескоп TESS виявив уже понад 7 800 кандидатів в екзопланети і підтвердив понад 700 з них — і саме він першим помітив транзитний сигнал TOI-7169 b у даних 83-го сектора спостережень
• Гарячі юпітери — найлегші для відкриття екзопланети: вони великі, близько до зірки і часто транзитують, але при цьому є одними з найрідкісніших типів планет — зустрічаються лише у ~1% зірок
• Вік зірки TOI-7169 — 12,3 мільярда років — означає, що вся ця планетна система існувала ще тоді, коли наш Чумацький Шлях тільки формував свій тонкий диск і задовго до того, як у ньому з’явилося Сонце; детальніше про роль таких стародавніх зірок — на сторінці NASA Exoplanet Exploration
• Щільність TOI-7169 b складає лише 0,159 г/см³ — це приблизно втричі менша, ніж щільність Сатурна (0,687 г/см³), найлегшої планети нашої системи, яку часто порівнюють з м’ячем для пінг-понгу, що плаває у воді

FAQ

Що означає «бідна на метали» зірка? В астрономії «металами» називають усі елементи важчі за водень і гелій. «Бідна на метали» зірка містить дуже мало таких елементів — тобто вона сформувалася дуже давно, коли Всесвіт ще не встиг збагатитися важкими елементами від вибухів надмасивних зірок.

Чому гарячі юпітери взагалі рідкісні навколо бідних на метали зірок? За теорією ядрової акреції, планети-гіганти ростуть навколо твердого ядра з важких елементів. Бідний на метали диск дає менше будівельного матеріалу для такого ядра, тому ймовірність народження гіганта різко падає. TOI-7169 b суперечить цьому правилу — і саме тому є такою ціннішою для науки.

Чи може TOI-7169 b мати супутники або кільця? Теоретично — так, але через дуже близьку орбіту навколо зірки будь-які компаньйони були б нестабільними та швидко зруйнованими гравітаційними силами. Майбутні спостереження з JWST та наземних телескопів допоможуть відповісти на це питання детальніше.

Планета, яка не мала права існувати, виявлена навколо давньої бідної зірки з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com