Астрономы уже привыкли к неожиданностям, изучая более 6 тысяч подтверждённых экзопланет. Однако гигантская планета, вращающаяся вокруг красного карлика, недавно застала их врасплох. Это самая большая планета по отношению к своей звезде из всех, что были обнаружены, и она опровергает ведущую теорию формирования планет-гигантов, согласно новому исследованию.
Открытие планеты TOI-6894 b
TOI-6894 b вращается вокруг звезды спектрального класса M, которая примерно в пять раз меньше и легче Солнца — её масса составляет 60% от массы следующей по величине звезды со своей планетой-гигантом. Размер TOI-6894 b соответствует размеру Сатурна, а масса — половине массы Сатурна. Диаметр планеты составляет 40% от диаметра звезды-хозяина, что делает её самой крупной планетой по отношению к своей звезде из всех известных на сегодняшний день.
Эдвард Брайант, астрофизик из Университета Уорика в Великобритании и первый автор исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, сказал: «Поскольку звезда имеет такую малую массу, основываясь на том, что мы сейчас понимаем о формировании планет и протопланетных дисках, мы не ожидали, что она сможет сформировать планету-газовый гигант».
Планета была впервые обнаружена спутником Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) в начале 2020 года и подтверждена дополнительными наблюдениями в течение следующих трёх лет. TESS ищет падение яркости звезды, которое происходит, когда планета проходит между ней и Землёй, блокируя часть её света.
Анализ наблюдений
Брайант и его коллеги изучили наблюдения за 91 000 звёзд в каталоге TESS, чтобы определить частоту встречаемости гигантских планет у красных карликов с малой массой. Эти звёзды — самые маленькие и тусклые в галактике, но при этом самые распространённые. В 2023 году они сообщили об открытии нескольких таких планет.
Новый анализ команды показывает, что транзиты TOI-6894 b являются рекордными: они уменьшают яркость звезды на 17% и указывают на размер планеты по отношению к её звезде. Транзиты также показывают, что планета совершает оборот каждые 3,37 дня.
Дальнейшие наблюдения с наземных телескопов измерили изменения в радиальной скорости звезды — «покачивания» в её движении, вызванные гравитационным притяжением планеты, которые позволили определить массу планеты.
Специальный случай?
Ведущая теория формирования планет-гигантов, называемая аккрецией ядра, утверждает, что такие планеты формируются в начале жизни звезды, когда она всё ещё окружена протопланетным диском — широким диском из газа и пыли, который составляет сырьё для планет. Более тяжёлые материалы слипаются, образуя всё более крупные тела, в конечном итоге создавая ядро, которое может быть в несколько раз массивнее Земли. Когда ядро становится достаточно большим, оно поглощает окружающий газ, создавая слоистую планету-гигант, подобную Сатурну или Юпитеру.
«Это сюрприз — найти гигантскую планету у такой крошечной звезды, потому что мы просто не думали, что там будет достаточно материала», — сказал Джоэл Хартман, астроном-исследователь из Принстонского университета и член исследовательской группы.
Некоторые исследования показали, что звёзды массой менее трети массы Солнца вообще не могут формировать гигантские планеты.
«Теоретики, моделирующие формирование планет [с аккрецией ядра], не могут создать планеты, подобные TOI-6894 b», — сказала Эмили Пасс, астрофизик из Массачусетского технологического института, которая не участвовала в исследовании. «Поэтому возникает вопрос: являются ли планеты, подобные TOI-6894 b, особыми случаями, которые сформировались другим способом, или вся наша модель формирования планет-гигантов нуждается в пересмотре?»
Намёки на механизм формирования
Одна из возможностей — модифицированный механизм аккреции, при котором растущая планета одновременно поглощает тяжёлые материалы и газ, образуя более смешанный мир.
«Ни одна из этих теорий не может реально объяснить эту планету», — сказал Брайант.
Другая возможность — прямое коллапсирование. «Вместо того чтобы ядро строилось с нуля, диск фрагментируется под действием собственной гравитации и коллапсирует напрямую», — сказал Брайант. «Если диск становится нестабильным определённым образом, вы можете сформировать гигантские планеты у этих маломассивных звёзд. Проблема в том, что некоторые симуляции предсказывают, что вы будете формировать планеты, которые будут намного, намного массивнее Юпитера, что во много раз массивнее этой планеты. Так что ни одна из этих теорий не может реально объяснить эту планету. Мы действительно ограничены в нашем понимании протопланетных дисков», — сказал он.
Намёки на механизм формирования планеты могут быть найдены в её атмосфере, изучение которой запланировано на следующий год с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Когда планета проходит перед звездой, свет звезды, проходящий через атмосферу, покажет её состав.
«Мы должны быть в состоянии определить разницу между тем, сформировалась ли планета в результате прямого коллапса или аккреции ядра, посмотрев на металличность атмосферы», — сказал Хартман. «В случае гравитационной нестабильности все материалы коллапсируют вместе, поэтому элементы должны быть смешаны вместе. В модели аккреции ядра все тяжёлые элементы должны быть в ядре, с газовой оболочкой поверх него».