Кубанский государственный технологический университет

Крохотные раскаленные экзопланеты могут быть останками газовых гигантов

24-12-2011
a. Две планеты, вычисленные командой Шарпине, когда-то, возможно, были газовыми гигантами и отстояли значительно дальше от материнской звезды. b. Когда звезда исчерпала свое водородное топливо и превратилась в красного гиганта, обе планеты оказались внутри ее атмосферы и полностью лишились своего газа, сохранив только твердые каменистые ядра. c. Когда красный гигант, по неизвестным причинам, сбросил внешние слои и превратился в субкарлика, обе планеты перестали терять кинетическую энергию и стабилизировались на своих нынешних орбитах.

Изображение из статьи Eliza M. R. Kempton в Nature

Астрономы из Тулузского университета вычислили пару экзопланет, одна из которых имеет все шансы стать самой маленькой из открытых на сегодняшний день. Планеты, вращающиеся вокруг бывшего красного карлика на расстоянии всего лишь 0,9 и 1,1 миллиона километров, вообще не могут иметь атмосферу, а значит, их дневные полушария нагреты примерно до 8–9 тысяч градусов (в полтора раза горячее поверхности Солнца).

В преддверии рождественских и новогодних праздников астрономы преподнесли urbi et orbi весьма приятные сюрпризы. 20 декабря НАСА на специально созванной пресс-конференции возвестило об открытии весьма необычной планетной системы, обнаруженной с помощью космического телескопа «Кеплер». Она состоит из двух каменистых планет земных размеров и трех планет масштаба Нептуна. Эти планеты обращаются неподалеку друг от друга в окрестности желтого карлика солнечного типа Kepler-20, удаленного от нас на 950 световых лет. Оба землеподобных тела Kepler-20e и Kepler-20f, чьи радиусы равны, соответственно, 0,87 и 1,03 радиуса Земли, а массы не превышают двух-трех земных масс, были тут же объявлены самыми миниатюрными внесолнечными планетами, обнаруженными к настоящему времени.

Однако сей рекорд продержался лишь одни сутки. 21 декабря интернациональный коллектив астрономов, возглавляемый Стефаном Шарпине (Stephane Charpinet) из Института астрофизических и планетологических исследований при Тулузском университете, сообщил в последнем выпуске журнала Nature за 2011 год еще о паре экзопланет, одна из которых имеет все шансы претендовать на первое место в списке наимельчайших. Правда, их обнаружили иным способом, нежели планеты системы Kepler-20, вследствие чего их размеры не измерены, а только оценены на основе модельных расчетов.

Жизненный путь новооткрытых экзопланет намного трагичней судьбы всех прочих известных науке экзопланет — а этим сказано немало. 18 миллионов лет назад они вынырнули из пещи огненной, адское пламя которой полностью испарило их газовые оболочки, однако не смогло до конца сжечь ядра, состоящие из тугоплавких пород.

Если читатель достаточно заинтригован, можно перейти к деталям. Новое открытие было опять-таки сделано с помощью «Кеплера», который на сей раз работал не в своем основном качестве. Он был запущен прежде всего ради поиска экзопланет, которые частично затмевают для земных наблюдателей свои звезды и тем выдают собственное присутствие. Этот телескоп с апертурой 95 сантиметров оснащен высокочувствительным фотометром на сорока двух 2,2-мегапиксельных полупроводниковых светочувствительных матрицах. Фотометр отслеживает осцилляции звездного блеска, позволяющие предположить наличие у звезды одного или нескольких несветящихся спутников. Однако тот же самый прибор можно использовать и для детального исследования переменных звезд, которые тоже регулярно меняют свою яркость. В силу своей космической «прописки» он делает это куда лучше, нежели земная аппаратура.

Уникальный исследовательский потенциал «Кеплера» решила использовать интернациональная группа астросейсмологов, сформировавшаяся незадолго до его запуска. Она образовала Астросейсмический научный консорциум «Кеплера» (Kepler Asteroseismic Science Consortium, KASC) с центром в Дании, в Орхусском университете. Его участники получили время для наблюдения нескольких переменных звезд нашей Галактики. Среди них была и одиночная звезда KIC 05807616 (известная также под индексом KPD 1943+4058), расположенная на стыке созвездий Лебедя и Лиры в 3900 световых годах от Солнца. Ее спектры заинтересовали ученых задолго до запуска «Кеплера» в марте 2009 года. Она принадлежит семейству горячих субкарликов спектрального класса B (sdB stars), лежащих на экстремальной горизонтальной ветви диаграммы Герцшпрунга–Рассела. Светимость этих звезд обеспечивается термоядерным горением гелия, из которого они практически полностью и состоят (доля водорода там не превышает одного процента).

Чаще всего горячие субкарлики представляют собой остатки красных гигантов — не слишком тяжелых (не более двух солнечных масс) звезд главной последовательности, исчерпавших водородное топливо и в сотни раз увеличивших свои размеры вследствие внутренней нестабильности. Обычно красный гигант сохраняет раздувшуюся водородную атмосферу в течение одного-двух миллиардов лет — до тех пор, пока его центральная область не сжимается до температур, обеспечивающих термоядерный поджог гелия. Однако он может сбросить водородную атмосферу еще до начала гелиевого горения ядра, что и приводит к рождению горячего субкарлика. Причины такого сброса пока что не вполне ясны, однако скорее всего его облегчает наличие звезды-компаньона, которая притягивает газ внешней оболочки красного гиганта и тем ослабляет гравитационные узы, связывающие его с ядром. Оголившееся ядро продолжает сжигать гелий вплоть до его превращения в кислород и углерод. После этого термоядерное горение прекращается, поскольку масса субкарлика недостаточна для продолжения термоядерного синтеза. Он становится маломассивным белым карликом и после этого уже не меняется.

Температуры поверхности субкарликов класса B лежат в диапазоне 20–40 тысяч градусов. Они меняют блеск в результате интенсивных пульсаций, вызванных, как считается, глубинными акустическими колебаниями. Периоды пульсаций лежат в диапазоне от минут до двух-трех часов. По этой причине такие звезды представляют большой интерес для астросейсмологов.

Предшествующее изучение KIC 05807616 показало, что эта звезда стала субкарликом 18 миллионов лет назад и что ее нынешняя масса равна почти половине массы Солнца при радиусе всего в одну пятую часть его радиуса (так что вещество этой звезды в 60 раз плотнее солнечного). Впоследствии KIC 05807616 сделалась предметом шестимесячных наблюдений «Кеплера» и в этом качестве получила новый индекс KOI 55 (аббревиатура означает Kepler Object of Interest). В результате было выявлено множество пульсаций яркости с периодами где-то от получаса до двух с половиной часов и амплитудами до 0,15% от средней яркости звезды. В то же время Стефан Шарпине и его коллеги обнаружили еще две серии чрезвычайно слабых (с амплитудами порядка тысячных долей процента) колебаний звездного блеска с периодами 5,7625 часа и 8,2293 часа. Поскольку теория утверждает, что никакие внутренние процессы не могут породить столь длиннопериодические осцилляции яркости горячего субкарлика, ученые предположили, что он обладает двумя спутниками, которые периодически экранируют ничтожную долю его излучения. Если такие спутники существуют, они должны обращаться вокруг звезды на ничтожно малых дистанциях — всего лишь 0,9 и 1,1 миллиона километров, что много меньше одной сотой астрономической единицы.

Пульсации блеска звезды KIC 05807616, позволившие обнаружить предполагаемые экзопланеты (две черточки над зачерненной зоной слева). Их амплитуды искусственно увеличены в 5 раз (?5), чтобы они были видны на графике. Изображение из обсуждаемой статьи Charpinet et al. в Nature

Эта гипотеза приводит к весьма важным следствиям. В последние годы астрономы обнаружили некоторые гигантские газовые планеты, обращающиеся вокруг субкарликов B-класса, однако они удалены от своих звезд более чем на одну десятую астрономической единицы. Кандидаты в новые планеты KOI 55.01 и KOI 55.02 не только не могут быть газовыми гигантами, но и вообще не в состоянии иметь какую-либо атмосферу, поскольку в такой близости от столь горячей звезды не выживет ни одна газовая оболочка. По причине той же близости каждая планета приливными силами повернута к звезде только одной стороной (подобно тому, как ориентирована Луна по отношению к Земле). Отсюда следует, что их дневные полушария нагреты примерно до 8–9 тысяч градусов и, следовательно, в полтора раза горячее поверхности Солнца.

Откуда же взялись эти раскаленные монстры? Авторы статьи в Nature видят в них возможные останки газовых гигантов, когда-то обращавшихся вокруг нормальной звезды главной последовательности, каковой и была предшественница субкарлика KIC 05807616. Когда она стала красным гигантом, обе планеты оказались внутри ее атмосферы, где и пребывали неустановленное количество лет (как минимум, несколько десятков миллионов). За это время они полностью лишились своего газа, сохранив только твердые каменистые ядра или, скорее, их части. Они также сильно приблизились к ядру красного гиганта благодаря потере орбитальной скорости из-за торможения в его атмосфере. Когда же оный гигант сбросил внешние слои и превратился в субкарлика, оба тела перестали терять кинетическую энергию и стабилизировались на своих нынешних орбитах. Там они и останутся, когда субкарлик станет белым карликом и за триллионы лет остынет до температуры окружающего пространства. Естественно, то же самое произойдет и с обеими планетами.

Этот гипотетический, но весьма правдоподобный, сценарий имеет интересное продолжение. Как я уже отметил, субкарлик KIC 05807616, скорее всего, не входит в состав двойной звездной системы (во всяком случае, об этом пока что свидетельствуют данные всех телескопических наблюдений). Встает вопрос, что же в таком случае вызвало «похудение» его гигантского предка? Стефан Шарпине и его соавторы не исключают, что за отсутствием звезды-компаньонки вину следует возложить на сами планеты. Можно допустить, что их гравитация настолько возмутила атмосферу красного гиганта, что та рассеялась в космическом пространстве. Это могло произойти лишь в том случае, если бы планеты первоначально оказались вблизи ее верхней границы, поскольку только там их тяготения хватило бы для ее радикальной дестабилизации. Подтверждение этой гипотезы стало бы первым примером влияния планет на эволюцию их материнских звезд, что до сих пор обсуждалось только в теории.

Как я уже писал, в статье приводятся оценки массы и размеров KOI 55.01 и KOI 55.02. Для этих вычислений авторам пришлось сделать определенные предположения об альбедо (отражательной способности) планетных поверхностей, угле наклона их орбитальной плоскости по отношению к направлению на Землю и степени передачи тепла от дневных полушарий к ночным. В результате они пришли к заключению, что радиус KOI 55.01 составляет 0,759 земного радиуса, а ее масса равна 0,440 массы Земли. KOI 55.02 несколько крупнее: 0,867 земного радиуса и 0,655 земной массы. Так что KOI 55.01 и вправду может оказаться наилегчайшей на сегодняшней день экзопланетой.

В заключение надо отметить еще одно обстоятельство. В статье кратко обсуждается альтернативный сценарий рождения субкарликов класса B, никак не связывающий этот процесс с эволюцией красных гигантов. Согласно этой модели, они могут возникать и при столкновении двух белых карликов — только не кислородно-углеродных, а более легких, гелиевых. В этом случае субкарлик на начальном этапе своего существования может получить плотный газовый диск, который со временем даст начало одной или нескольким планетам. Шарпине и его коллеги в принципе не исключают такую возможность, однако всё же считают, что вблизи столь горячей звезды за 18 миллионов лет вряд ли успели бы сформироваться планеты земного типа.

Источник: Stephane Charpinet, G. Fontaine, P. Brassard, E. M. Green, V. Van Groote, S. K. Randal, R. Silvotti, A. S. Baran, R. H. Ostensen, S. D. Kawaler, J. H. Telting. A compact system of small planets around a former red-giant star // Nature. V. 480. P. 496–499. 22 December 2011. Doi:10.1038/nature10631.

См. также: Eliza M. R. Kempton. Planetary science: The ultimate fate of planets // Nature. V. 480. P. 460–461. 22 December 2011. Doi:10.1038/480460a.

Алексей Левин

‹‹