И всё-таки нам очень повезло

Орбитальные телескопы и учёные, которые анализируют и интерпретируют результаты их наблюдений, продолжают радовать нас новыми сведениями об экзопланетах. Внезапно распахнувшаяся для нас дверь в жизнь других солнечных систем показывает нам совершенно иной и непохожий на наш, околосолнечный, но от этого — ещё более чарующий мир далёких экзопланет. Другие солнечные системы отнюдь не стали копией нашей собственной Солнечной системы, отличаясь от неё в массе существенных деталей.

Из всех планет нашей Солнечной системы наибольший перепад температур наблюдается на Меркурии. Та его сторона, что обращена к Солнцу, нагревается до +430 °C, в то время как ночная сторона остывает до −180°C. Но перепады температур Меркурия это еще цветочки. К настоящему моменту обнаружено множество экзопланет, которые находятся намного ближе к звездам и буквально ходят по краю. Одна из них это 55 Рака е.

Данная планета вращается вокруг желтого карлика, входящего в состав двойной системы, расположенной от нас на расстоянии 40 световых лет. Ее диаметр в два раза больше земного, масса эквивалента 8.5 массам Земли. Так что это не газовый гигант, а каменная планета. Орбита 55 Рака е пролегает на расстоянии всего двух миллионов километров от поверхности звезды, она совершает один оборот всего за 17 часов. Из-за такой близости планета находится в приливном захвате и всегда обращена к светилу одной стороной, в то время как другая находится в вечной тени. И конечно же, там жарко, очень жарко.C помощью инфракрасного телескопа Spitzer астрономы впервые сумели измерить температуру освещенной и теневой стороны 55 Рака е. Оказалось, что та сторона, которой планета обращена к звезде нагрета до +2400°C. Для сравнения, железо плавится при +1500°, титан при +1700°. Ученые предполагают, что все дневная сторона планеты вероятнее всего представляет из себя один гигантский океан лавы.

На ночной стороне попрохладнее. Ее температура составляет жалкие +1100°C, практически курорт по меркам дневной стороны. Существует несколько версий, объясняющей подобный перепад температур. По одной из них, у планеты практически нет атмосферы и теплообмен осуществляется за счет потоков лавы, которые перетекают с дневной стороны на ночную.

Однако это не совсем стыкуется с данными «Хаббла», обнаружившем при наблюдениях 55 Рака е следы водорода, гелия и циановодорода, свидетельствующие о том, что у нее все же есть какая-то атмосфера. Так что был предложен и куда более экзотический вариант: атмосфера есть, но грубо говоря, она в основном существует лишь над ночной половиной (с освещенной она просто сдувается излучением звезды), и на планете имеется какой-то механизм, запирающий газы на одном полушарии планеты. После ввода в строй космического телескопа «Джеймс Уэбб» астрономы надеются получить более точные данные о том, что из себя представляет условия на поверхности 55 Рака и ее атмосфера.

Новые наблюдения инфракрасного орбитального телескопа «Спитцер», которые проводила группа учёных из MIT под руководством Жульена де Вита, касались специфической экзопланеты — газового гиганта HD 80606 b, который относится к классу «горячих юпитеров», сравнимых с нашим Юпитером по размеру и массе, но вращающихся вокруг родительских звезд по экстремально близкой орбите к собственной звезде орбите.

Вид двойной звезды HD 80606 и HD 80607 в хороший любительский телескоп. Планету, понятное дело, в него не увидеть.

Родительская звезда горячего юпитера HD 80606 b расположена в 190 световых годах от Земли, в направлении созвездия Большой Медведицы и является двойной звездой. Горячий Юпитер обращается вокруг главного копнонента двойной (HD 80606) по очень вытянутой орбите (эксцентриситет её составляет 0,993) и достаточно близко к самой звезде HD 80606, подходя в периастре к ней всего лишь на 0,03 а.е, в десять раз ближе, чем орбита Меркурия вокруг Солнца.

Апоастр орбиты HD 80606 b удалён от центральной звезды на 0,84 а.е. и, располагайся этот горячий юпитер в нашей Солнечной системе, его самая дальняя от звезды точка орбиты лежала бы между орбитами Венеры и Земли.

Анимация движения HD 80606 b вокруг главного компонента двойной, HD 80606. Каждый квадрат координатной сетки соответствует длине в десятую часть расстояния Земли от Солнца (0,1 на 0,1 а.е.)

Сама звезда HD 80606 очень похожа на наше Солнце (имеет массу в 0,9 сол). Второй компонент двойной, HD 80607, тоже похожий на наше Солнце, расположен в 15 раз дальше от центральной звезды, чем Нептун в нашей Солнечной системе и обращается в 1200 а.е. от места событий, не влияя на движение горячего Юпитера HD 80606 b.

Ещё при первых наблюдениях за этим далёким горячим юпитером, сделанным в 2001 году, ученые установили, что он обладает сильно вытянутой орбитой, почти как у кометы. Имея практически земные условия по температурам атмосферы при прохождении своего апоастра, при подходе к периастру HD 80606 b сильно нагревался — в момент сближения со звездой его обращённая к HD 80606 сторона разогревается до 1200 градусов по Цельсию.

На примере HD 80606 b была выстроена альтернативная к теории «газового трения» о изначальный протопланетный диск, теория, согласно которой будущие горячие юпитеры попадали на близкие к своему солнцу вытянутые орбиты в результате катастрофических столкновений с другими формирующимися планетами-гигантами, после чего медленно «сползали» к центральным звёздам, понемногу снижая свой апоастр до экстремальных значений своего периастра (сотые доли астрономической единицы).

Важно то, что в «катастрофической» гипотезе образования горячих юпитеров, в отличии от гипотезы «газового трения», горячему юпитеру уже приходится изменять свою орбиту в сформировавшейся планетной системе, в которой протопланетный диск уже во многом рассеян, и на торможение горячего юпитера влияют процессы, о которых я расскажу чуть ниже и которые и измеряли в результате наблюдений «Спитцера».

Надо сказать, что пока что механика поведения молодых планет гигантов, в рассеиваемых и умирающих под напором излучения своих молодых звёзд протопланетных дисках, изучена ещё очень слабо — например, классический будущий юпитер (горячий или холодный — покажет следующий десяток миллионов лет), располагающийся возле молодой звезды Фомальгаут, за время с момента своего обнаружения прошёл всего лишь весьма скромную часть своей орбиты. Поэтому интересные данные, полученные для HD 80606 b никак не влияют на гипотезу «газового трения», влияя лишь на достоверность «катастрофической» гипотезы.

Движение формирующейся планеты-гиганта в протопланетном диске вокруг Фомальгаута с 2004 по 2012 год. Полный оборот вокруг звезды планета сделает за период от 800 до 1700 лет. Небыстро, неправда ли?

Тем интереснее был для учёных MIT вариант наблюдения за HD 80606 b — полный оборот вокруг своей звезды этот горячий юпитер совершает за 111 дней, что позволяет достаточно быстро набрать статистику наблюдений и прояснить механизм перехода горячего юпитера на сверхнизкую орбиту в уже сформировавшихся планетных системах.

Механизм перехода горячего юпитера на более низкую орбиту связан с переходом части кинетической энергии планеты в тепловую форму при прохождении периастра. Когда HD 80606 b проходит в непосредственной близости от своей звезды, гравитация пытается в буквальном смысле сжать планету, вызывая в ней громадные приливные силы. Чем «податливей» планета, тем лучше она рассеивает свою потенциальную гравитационную энергию в виде тепла. Чем больше выделяется тепла, тем быстрее орбита будущего короткопериодического горячего юпитера будет приобретать круговую форму, в которой и периастр, и апоастр будут находится в сотых долях астрономической единицы от звезды, а сама планета скорее всего окажется в «приливном замке» относительно звезды, когда к звезде будет обращено лишь одно полушарие горячего Юпитера, как у земной Луны.

 Схема полученных данных о HD 80606 b в наблюдениях «Спитцера».

Пока что данные, полученные со «Спитцера», носят противоречивый характер. С одной стороны, наблюдения инфракрасного телескопа в целом подтвердили гипотезу постепенного «сползания» горячих юпитеров с вытянутых, высокоэксцентриситетных орбит на будущие круговые орбиты в непосредственной близости от своих звёзд но, с другой стороны, наблюдаемый эффект гравитационного сжатия планеты и перехода её кинетической энергии в тепловую оказался гораздо слабее, нежели это было принято при начальных расчётах.

В итоге получается, что исходя из наблюдений за HD 80606 b будущему горячему юпитеру надо будет проболтаться на такой вытянутой орбите не миллион и не десяток миллионов, а около 10 миллиардов лет, что подразумевает огромное количество горячих юпитеров на переходных, вытянутых орбитах, чего в реальности пока что не наблюдается.

В общем, матушка-природа снова задала нам массу загадок, дав нам ответы на наши предыдущие вопросы к ней. И высоколобые учёные снова ушли чесать свои репы на предмет того, как объяснять положение массы планет-гигантов (горячих юпитеров) в непосредственной близости от своих звёзд.

И да, будь HD 80606 b расположен в нашей Солнечной системе, ни о каких планетах между орбитами Меркурия и Земли речь бы не шла — эдакий «слон в посудной лавке» вполне способен смести своим притяжением и выкинуть с удобных круговых орбит в «зоне Златовласки»любую небольшую планету земной группы. Что и наблюдается в системе HD 80606, в которой пока что планеты земной группы на орбитах в обитаемой зоне, где и мечется HD 80606 b, не обнаружены.

Что означает, конечно, что с нашим собственным Юпитером нам несказанно повезло...