Каменистое исключение: планета, нарушающая правила

На этой неделе исследователи обнаружили планету, которая отказывается вписываться в стандартные сценарии формирования планет: компактная система красного карлика, LHS 1903, судя по всему, является домом для самой дальней планеты, которая является плотной и каменистой, а не рыхлой и богатой газом. Высокоточные измерения размеров и массы — включая новые наблюдения миссии CHEOPS ЕКА — выявили четвертую, удаленную планету, чьи основные физические характеристики соответствуют каменистому телу, хотя, согласно общепринятой логике, она должна быть мини-нептуном. Это открытие заставило создателей моделей вернуться к чертежной доске и открыло новые направления исследований того, как время, эволюция диска и альтернативные пути формирования формируют планетные системы.

Исследователи обнаружили планету, которая опровергает хрестоматийные представления

Это открытие поразительно, поскольку астрономы долгое время опирались на простой сценарий: планеты формируются в протопланетном диске, и результат зависит в основном от температуры и доступного газа. Вблизи звезды высокие температуры и фотоиспарение сдирают легкие газы и оставляют каменистые ядра; дальше, в более холодных условиях, планеты могут удерживать толстые водородно-гелиевые оболочки и становиться газообразными. Система LHS 1903 изначально казалась соответствующей этому шаблону — внутренняя каменистая планета и два средних мини-нептуна — пока новые данные о транзитах не выявили четвертую планету, LHS 1903 e, вращающуюся дальше всех от звезды, но при этом имеющую размер и массу, соответствующие преимущественно каменистому составу. Такое расположение — компактный каменистый мир на внешних рубежах — напрямую бросает вызов упорядоченности «изнутри наружу», которую астрономы использовали для интерпретации сотен систем экзопланет.

Картирование системы LHS 1903

LHS 1903 — это небольшой красный карлик, класс звезд, которые широко распространены в Галактике и особенно благоприятны для обнаружения малых планет, поскольку сигналы транзита и радиальной скорости относительно велики по сравнению со звездами солнечного типа. Было известно, что у этой звезды есть три планеты в стройной конфигурации: короткопериодический каменистый мир и две более крупные, более газообразные планеты на большем удалении. Эта схема соответствовала классическим моделям формирования внутри протопланетного диска.

Последующие наблюдения сочетали наземные измерения радиальных скоростей и космическую транзитную фотометрию. Точные измерения радиуса с помощью CHEOPS в сочетании с динамическими ограничениями на массу раскрыли сюрприз: плотность самого внешнего объекта, LHS 1903 e, несовместима с обширной водородной оболочкой. Команда изучила очевидные альтернативы — гигантское столкновение, сорвавшее газовую оболочку, или значительную орбитальную перестройку, переместившую ядро наружу — и сочла оба варианта маловероятными, учитывая текущую орбитальную архитектуру системы и результаты численного моделирования. Вместо этого данные указывают на историю формирования, в которой время сборки планеты и потери газа имели такое же значение, как и местоположение.

Исследователи нашли планету, указывающую на формирование по принципу «изнутри наружу»

Одним из привлекательных объяснений является последовательность сборки «изнутри наружу»: планеты формируются в разное время по мере эволюции диска, и тела, сформировавшиеся позже, могут строиться из твердых частиц в среде, бедной газом. Если внешняя планета аккрецировала после того, как протопланетный диск потерял большую часть своего газового компонента — будь то за счет вязкой аккреции на звезду, фотоиспарения звездным излучением или дисковых ветров — она была бы лишена водорода и гелия, необходимых для формирования рыхлой атмосферы, и в итоге стала бы плотным каменистым миром.

Более широкий каталог космических нарушителей правил

LHS 1903 e — не единственная планета, заставившая астрономов пересмотреть предположения о том, как формируются миры. В прошлом году Космический телескоп «Джеймс Уэбб» выявил совсем другую крайность: PSR J2322-2650b, спутник массой с Юпитер, вращающийся вокруг нейтронной звезды размером с город, чья богатая углеродом, заполненная сажей атмосфера и форма, напоминающая лимон, полностью противоречат обычным каналам формирования планет. Этот объект, вероятно, обязан своими свойствами экзотическому эволюционному пути — переносу массы, обдиранию, кристаллизации углерода под экстремальным давлением — а не плавной аккреции и захвату газа, характерным для планет вокруг обычных звезд.

Сравнение этих исключений полезно, поскольку они охватывают пространство возможных сюрпризов. LHS 1903 e — это сравнительно скромное несоответствие (каменистый мир в «неправильном» районе), которое указывает на эволюцию диска и время как на ключевые переменные. Спутник пульсара — это резкое отклонение, которое подчеркивает редкие, но важные альтернативные пути: приливное обдирание, звездная эволюция и пост-форминационная обработка — все это может формировать атмосферу и общий состав в состояниях, которые простые модели рождения не предсказывают. В совокупности такие открытия показывают, что формирование планет — это плюралистическая проблема с множеством жизнеспособных путей для создания широкого разнообразия наблюдаемых нами миров.

Что придется изменить создателям моделей

Непосредственным выводом является то, что модели формирования должны рассматривать время как динамический ингредиент, а не просто как фиксированный фон. Симуляции, предполагающие одномоментную эпоху формирования планет внутри статического диска, рискуют упустить архитектуры, созданные поэтапным формированием, быстрым рассеиванием газа или переменным потоком пебблов и планетезималей. Астрофизикам потребуется включить более реалистичную эволюцию диска — включая скорость фотоиспарения, магнитные ветры и обратную реакцию формирующихся планет на локальные твердые частицы — в коды синтеза популяций и N-body эксперименты.

Наблюдатели, со своей стороны, будут стремиться расширить выборку хорошо изученных систем с точными радиусами и массами на различных расстояниях. Свою роль сыграют CHEOPS, TESS, спектрографы радиальных скоростей и JWST: CHEOPS и TESS находят и уточняют транзитные сигналы, точные скорости дают массу и плотность, а JWST может искать разреженные атмосферы или их отсутствие. Если LHS 1903 e окажется единичным исключением, модели зафиксируют это как крайний случай; если подобные внешние каменистые планеты обнаружатся в других системах, теоретикам придется принять более широкий спектр типичных результатов и переработать способы представления вероятностей формирования.

В конечном счете, это открытие является напоминанием о том, что наблюдательные сюрпризы двигают прогресс. Планета, которая ведет себя не так, как ожидалось, — это не провал теории, а сигнал о том, что физика, которую мы включаем (время, очистка диска, миграция или катастрофические события после формирования), должна быть богаче. LHS 1903 e заставила этот сигнал проявиться, и исследователи уже планируют более глубокие наблюдения и более широкие поиски, чтобы понять, насколько распространены такие нарушающие правила планеты в Галактике.

Источники