Астрономы обнаружили весьма необычную планетарную систему вокруг ближайшей звезды. В ней шесть планет, все они больше Земли, но меньше Нептуна - разновидность, которая отсутствует в нашей Солнечной системе, но характерна для всего Млечного Пути. Более того, все планеты вращаются в ритмичной гармонии, что говорит о том, что система оставалась нетронутой с момента ее формирования миллиарды лет назад. Яркость звезды, ее относительная близость к Земле и шесть орбитальных странностей могут сделать систему идеальной лабораторией для изучения формирования этих планет, известных как субнептуны.
«Это восхитительная система! Орбиты всех планет более узкие, чем у Меркурия. Но если дальнейшие наблюдения обнаружат больше планет в обитаемой зоне звезды, где может существовать жидкая вода, то она может стать самой интересной звездой в галактике», - сказала астроном из Открытого университета Кэрол Хасвелл.
Земля - самая большая каменистая планета Солнечной системы, но пятая по величине. На четвертом месте - ледяной Нептун, самый маленький из газовых гигантов, но все же в четыре раза больше Земли и в 17 раз массивнее. Предполагалось, что такая разница является естественным следствием условий, в которых они образовались: ледяные просторы внешней части Солнечной системы против более теплых климатических условий вблизи Солнца. Но обнаружение планет таких размеров практически повсюду в галактике заставило пересмотреть свои взгляды. И все же загадочный пробел сохраняется: Планеты диаметром от 1,5 до двух диаметров Земли, похоже, почти полностью отсутствуют, и астрономам не терпится узнать, почему.
В открытии новой системы участвовали два космических телескопа, несколько наземных и более 3 лет работы десятков астрономов. Поиски начались в 2020 году, когда астроном из Чикагского университета Рафаэль Луке, просматривал сообщения спутника НАСА Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), который ищет провалы в яркости звезды, вызванные пролетающими перед ней планетами. Луке заметил интригующие, но неубедительные провалы, связанные с HD 110067, звездой, похожей на Солнце, всего в 100 световых годах от Земли. Чтобы узнать больше, ему пришлось подождать до начала 2022 года, когда TESS вернулся на тот же участок неба.
Новые данные позволили обнаружить две первые планеты звезды с орбитами 9,1 и 13,7 дня. Последующие наблюдения спутника Европейского космического агентства Characterising Exoplanet Satellite (CHEOPS) выявили третью планету с орбитальным периодом 20,5 дня.
Но данные включали еще четыре загадочных провалов в звездном свете, или транзитов, которые команда не смогла связать с дополнительными планетами. Чтобы пойти дальше, команда прибегла к орбитальной теории. Орбиты трех известных планет показали резонанс 3/2 между каждой соседней парой: За каждые три оборота внутренней планеты по орбите, внешняя соседка вращается дважды. Догадываясь, что другие планеты также могут находиться в резонансе, команда Рафаэля Люка стала искать дополнительные гипотетические планеты с резонансом 2/1, 3/2, 4/3 и так далее. Четвертая планета, находящаяся в резонансе 3/2 и имеющая орбитальный период 30,8 дня, идеально совпала с двумя транзитами.
Таким образом, у исследователей осталось два неучтенных транзита. Чтобы выяснить, могут ли они быть связаны с другими планетами, они воспользовались особенностью, которая наблюдалась в других резонансных системах: Если три планеты находятся в резонансе и две из них расположены по одну сторону от звезды, то третья всегда будет находиться где-то в другом месте, ведь на ноябрь 2023 года не бывает случаев, когда все три планеты оказываются вместе. С помощью этого дополнительного условия исследователи смогли показать, как два оставшихся транзита хорошо сочетаются с планетами, вращающимися по орбитам каждые 41,1 и 54,7 дня. Каждая из этих планет находится в резонансе 4/3 со своим внутренним соседом.
Такое количество предположений и теорий может убедить не каждого, но команде повезло. Команда из Исследовательского центра НАСА имени Эймса придумала новый способ обработки данных TESS, которые обычно отбрасываются как слишком шумные. Команда Люка попросила команду Эймса поискать в отброшенных данных наблюдений 2020 года предсказанные транзиты пятой и шестой планет. Транзит пятой планеты был точным, а предсказанный период шестой отклонился всего на 20 минут, несмотря на то, что был экстраполирован на единственный транзит, наблюдавшийся 2 года спустя, с периодом, выведенным чисто теоретически.
Провалы в звездном свете давали представление только о диаметрах планет. Для того чтобы рассчитать их плотность и узнать, являются ли эти планеты газовыми субнептунами или каменистыми суперземлями, команде нужна была масса. Команде ученых пришлось обратиться к двум наземным телескопам - испанскому телескопу Калар Альто и итальянскому Национальному телескопу Галилео. Оба телескопа оснащены оборудованием, позволяющим ощущать крошечные колебания звезды, вызванные гравитацией окружающих планет. Наблюдения позволили оценить массы планет, которые примерно в 3,9-8,5 раза превышают массу Земли. Все они относятся к субнептуновым планетам с плотными атмосферами, каменистыми ядрами и, возможно, океанами, покрывающими планету.
Команде очень повезло: лишь около 1% планетных систем демонстрируют резонанс между соседними планетами, а система HD 110067 - первая известная резонансная цепочка из шести планет. В другой известной планетной системе, TRAPPIST-1, есть семь планет размером с Землю, но они находятся лишь в близком резонансе. Хотя теория предсказывает, что планеты обычно формируются в таких резонансах, с течением веков они обычно становятся нестабильными или что-то гравитационное выбивает их из синхронизации, будь то проходящая звезда или планета, смещающаяся с места.
Научный сотрудник проекта CHEOPS Максимилиан Гюнтер рассказал о том, что HD 110067 предоставляет уникальную возможность понять условия ее создания, поскольку выглядит так, будто ничто не нарушало орбиты в течение ее предполагаемого периода жизни в 8 млрд лет. Это как окаменелость для изучения формирования и эволюции планетарных систем, добавил Гюнтер.
