Нонсенс по всем законам: гигантская планета у крошечной звезды не должна существовать

Представьте себе спутник размером с футбольный мяч, вокруг которого вращается тяжелый шар для боулинга. Примерно так же выглядит система, которую обнаружили астрономы на расстоянии 282 световых лет от Земли. Газовый гигант TOI-5205b, по массе почти не уступающий Юпитеру, вращается вокруг красного карлика — звезды, масса которой составляет всего 39% от солнечной.

По всем законам физики и теориям формирования планет такой пары быть не должно.

Несоответствие масс

Стандартная небулярная гипотеза гласит: звезда и ее планеты рождаются из одного облака газа и пыли — протопланетного диска. Чем массивнее звезда, тем массивнее ее диск. И тем больше у нее шансов обзавестись крупными планетами.

У красных карликов диски маленькие. Материала там в обрез. Сформировать газового гиганта размером с Юпитер из такого скудного «стройматериала» — все равно что построить небоскреб из песка в пустыне.

Кэтрин Кейн, Carnegie Science.

И тем не менее TOI-5205b существует. Ее масса составляет почти 0,3% от массы родительской звезды. Для сравнения: масса Юпитера — около 0,1% от массы Солнца. Соотношение здесь почти втрое выше.

— TOI-5205b выходит далеко за рамки традиционных теорий формирования планет и соотношений масштабирования диска, — признают авторы открытия, впервые опубликованного в 2023 году.

Год за полтора дня

Планета обращается вокруг своей звезды с невероятной скоростью. Полный оборот занимает всего 1,6 земных суток. Это значит, что TOI-5205b находится ближе к своему светилу, чем Меркурий к Солнцу.

При такой близости атмосфера планеты должна разогреваться до чудовищных температур, а сама планета — постоянно терять газ под действием звездного ветра. И все же она существует и даже сохранила свою атмосферу.

Что увидел Джеймс Уэбб

Чтобы разобраться в этой аномалии, астрономы направили на систему космический телескоп «Джеймс Уэбб» в рамках программы GEMS (Giant Exoplanets around M dwarf Stars). Ученые получили спектры пропускания — своеобразные «отпечатки» атмосферы планеты, которые она оставляет, когда проходит на фоне своей звезды.

Результаты, опубликованные в The Astronomical Journal, преподнесли сюрпризы.

Сюрприз первый: низкая металличность. Атмосфера TOI-5205b содержит гораздо меньше тяжелых элементов (металлов), чем ожидалось, и даже меньше, чем сама звезда. Это отличает ее от всех других изученных массивных экзопланет.

Сюрприз второй: углерода много, кислорода мало. В атмосфере обнаружили метан (CH₄) и сероводород (H₂S). Но главное — соотношение углерода к кислороду здесь сильно смещено в сторону углерода. Это говорит о том, что планета сформировалась в регионе протопланетного диска, где было много углеродных льдов, но почти не было водяного — основного источника кислорода.

Художественная иллюстрация протопланетного диска. Соотношения масштабирования дисков показывают, что массивные газовые гиганты должны формироваться вокруг массивных звезд, поскольку у этих звезд также более массивные диски. Но не все комбинации экзопланет/звезд соответствуют этому. Изображение: ESO/L. Calçada

Сюрприз третий: внутреннее богатство. Модели показывают, что общий состав планеты (включая ее недра) почти в 100 раз богаче металлами, чем ее атмосфера. Это означает, что тяжелые элементы во время формирования мигрировали внутрь, и теперь ядро и атмосфера не перемешиваются.

— Это говорит о том, что ее тяжелые элементы мигрировали внутрь во время формирования, и теперь ее внутреннее строение и атмосфера не смешиваются, — поясняет ведущий автор Калеб Каньяс из Центра космических полетов имени Годдарда (NASA).

Что это значит для теорий

Небулярная гипотеза предсказывает, что состав газового гиганта должен примерно соответствовать составу его звезды. TOI-5205b нарушает это правило.

Возможные объяснения:

1. Планета мигрировала. Она могла сформироваться дальше от звезды, в более холодной зоне диска, а затем постепенно «сползти» на нынешнюю орбиту, собирая по пути разный материал.
2. Она аккрецировала в основном газ. Каменистого и ледяного материала в ее составе очень мало, что объясняет низкую металличность атмосферы.
3. Формирование шло не по стандартному сценарию. Возможно, гигантские планеты у красных карликов рождаются иначе, чем у звезд типа Солнца.

Важное предостережение

Исследователи признают: звездная активность может вносить шум в спектры и искажать результаты. Планета вращается очень близко к красному карлику, а такие звезды известны своей переменностью и вспышками.

— Мы предупреждаем, что обширное звездное загрязнение может искажать металличность атмосферы в сторону более низких значений, — пишут авторы.

Окончательные выводы можно будет сделать после дополнительных наблюдений.

Итог

TOI-5205b — не единственный газовый гигант, обнаруженный у красного карлика, но один из самых ярких примеров того, как реальность не желает подчиняться теориям. Она слишком массивна для своей звезды, слишком богата углеродом и слишком бедна кислородом. Ее атмосфера не похожа на атмосферу Юпитера, а ее внутреннее строение остается загадкой.

Программа GEMS продолжит наблюдения. Впереди — изучение еще шести подобных систем. Возможно, тогда мы наконец поймем, как природа умудряется строить гигантов там, где для них, казалось бы, нет места.

Как вы думаете, что важнее: пересматривать теории формирования планет или продолжать искать новые аномалии, которые в них не вписываются? Делитесь мнениями в комментариях!

Читайте также: