Kepler-36 показва, че планетарните системи са по-малко предвидими, отколкото сме мислили

Сътрудничество с Брандън Вайгел

В ранните години на екзопланетологията астрономите знаеха само за една многопланетна система: Слънчевата система. Те имаха симулации и модели, разбира се, но през 90-те години теорията зад тези модели се основаваше главно на нашата собствена планетарна система. Въпреки че няма никакви други данни, обаче, изглежда разумно предположението, че повечето други екзопланетарни системи са структурирани като нашата собствена: набор от земни планети, орбитиращи близо до приемащата звезда, с гигантски планети, подобни на Юпитер и Сатурн, орбитиращи по-далеч.

Тази парадигма започна да се разпада в средата на 90-те години, когато откритието на горещия Юпитер 51 Пегаси б обърна конвенционалната мъдрост на главата си. Огромните газови гиганти просто не трябва да излизат около тези звезди! Бавно, но сигурно, много от нашите предположения за структурата на планетарните системи се оказаха напълно неверни, тъй като откриваме контрапримери към дълго удържани идеи за формирането на планети.

Благодарение на космическия телескоп Kepler ние знаем за многопланетни системи като Kepler-62, която има пет потвърдени екзопланети. Дори тази система обаче не е много загадъчна - в сравнение с други, които открихме. Кредит за изображение: НАСА

Една от най-скорошните изненади обикаля орбитата поклонническа звезда Kepler-36. Това не е една планета, а две - екзопланети с име Kepler-36b и Kepler-36c, с полуосновни оси от 0.115 AU и 0.128 AU. Това означава, че двете екзопланети са опаковани изключително близо един до друг. Това само по себе си не е твърде странно; това, което е странно е, че двете планети трябва да са доста еднакви, идващи от една и съща област на протопланетарния диск, но не са. Едната е плътна, подобна на Земята земна планета, докато другата е мини-Нептун с газообразна обвивка от водород и хелий.

И така, как две напълно различни екзопланети се образуват на едно и също място? Това е добър въпрос - и отговорът му се оказва решаващ за разбирането ни защо екзопланетите са толкова стряскащо разнообразни. С Брандън Вайгел тази седмица правя някои проучвания защо планетарните системи на Вселената може да са по-разнообразни, отколкото сме мислили.

Намирането на многопланетни системи е трудно!

Кеплер изследва само малка част от галактиката, но въпреки това откри хиляди екзопланети.

В хода на деветгодишната си мисия космическият телескоп Kepler наблюдава над половин милион звезди в близост до Слънцето. Кеплер използва транзитния метод за откриване на екзопланети. Търсеше малки спадове в яркостта на звезда. Ако тези спадове се повтарят редовно, това е сериозно доказателство, че те са причинени от екзопланета в орбита, минаваща между Кеплер и звездата. Обикновено комбинирането на данни за кандидат за екзопланета е толкова просто, колкото и търсенето на спадове, които имат ясни периоди; виждате всеки набор от пропуски между транзитите.

За звездите с множество транзитни екзопланети обаче нещата стават трудни. Тези системи обикновено произвеждат объркани светлинни криви, които лесно могат да бъдат сбъркани с други явления, като звездни съдове - или транзитите могат да бъдат пропуснати напълно. В случая с Kepler-36 имаше допълнителен проблем. Двете екзопланети са доста близки една до друга и затова произвеждат вариации на транзитно време или TTV - промени в очакваните времена на транзит, причинени от взаимното им гравитационно дърпане.

Фигура 1, Carter et al. 2012. Кривата на суровата светлина, произведена от телескопа (отгоре), изглежда пълна със случайни потапяния, но има нещо ясно неслучайно по време на работа: две преминаващи екзопланети, Kepler-36b (отляво вляво) и Kepler-36c (долу вдясно).

Първоначално алгоритъмът за търсене, използван от Kepler, напълно пропусна Kepler-36b, което доведе до спадове само около 17% толкова силно, колкото тези, причинени от Kepler-36c. Втори алгоритъм, който взема предвид потенциалните ТТВ, най-накрая го хвана, разкривайки много по-богата система, отколкото първоначално смятаха астрономите (Carter et al. 2012). Всъщност онези ТТВ, далеч от заплаха, в крайна сметка бяха съкровищница от информация. Обикновено транзитите от самотна екзопланета само дават оценка на нейния радиус, но ТТВ позволяват на екипа да моделира гравитационните сили между планетите за различни пробни маси - и следователно да извлече действителните им маси, което от своя страна осигури прозорец в екзопланетите 'композиции.

Първоначалните наблюдения разкриха маси от 4.45 и 8.08 земни маси за Kepler-36b и Kepler-36c, съответно, и съответни радиуси от 1.486 и 3.679 земни радиуси. Просто изчисление разкрива плътност от 7,46 грама на кубичен сантиметър - малко по-плътна от Земята - и 0,89 грама на кубически сантиметър, което е близо до Сатурн. Последиците бяха ясни: Kepler-36b е скалист свят с богато на желязо ядро, докато Kepler-36c е богат на летливи вещества и задържа атмосфера, съставена главно от водород и хелий.

Фигура 3, Carter et al. 2012. Начертаването на точките с данни на диаграма с радиус на маса показва, че Kepler-36b, близо до дъното, е скалист свят, докато Kepler-36c, близо до върха, е газообразен.

Това беше изненада. Въпреки орбитата само на 0,01 AU един от друг, вътрешният свят беше почти девет пъти по-плътен от външния му спътник. Традиционните модели за формиране на планетарна система предвиждат, че този вид огромно разминаване трябва да бъде невъзможно. Двете екзопланети трябва да са доста подобни една на друга. И все пак данните разказват различна история.

Първоначално решение за първичен проблем

Астрономите не бяха напълно смаяни от пъзела. Carter et al. накратко разгледаха две възможни решения на проблема: миграция или атмосферна ерозия. Хипотезата за миграция, първоначално разработена да обясни неочакваното поставяне на горещи Юпитери, предполага, че екзопланетите, вградени в протопланетарни дискове, могат да се преместят драстично от външните региони в близки орбити около звездата. Това може да бъде предизвикано от приливни взаимодействия с диска или смущения с други планети. При този сценарий Kepler-36c би се образувал далеч, където натрупва летливи вещества и значителна обвивка от водород / хелий, преди да бъде изведен в тясна орбита около звездата-домакин.

Lopez & Fortney 2013 бяха заинтересовани да проучат втората възможност. Протопланетите с всякакви форми и размери могат да натрупват големи обвивки от водород и хелий по време на ранния си живот, но малките планети с ниска маса, близки до техните приемащи звезди, често губят тези атмосфери, задържайки тежки газове като кислород и азот. Изключително ултравиолетово (XUV) лъчение йонизира газ в горната атмосфера и го загрява; този ефект - наречен фотоепорация - е по-силно изразен върху по-леките молекули, като водород и хелий, и затова телата, които изпитват високи XUV потоци, обикновено губят тези газове сравнително бързо.

Фигура 2, Lopez & Fortney 2013. Астрономите извършиха 6000 симулации за редица основни маси, потоци, състави и топлинни инерции в опит да обяснят системата Kepler-36.

Kepler-36b и Kepler-36c обаче са доста близо един до друг и ако миграцията не се случи, те трябваше да получат същото количество XUV флюс. Какво тогава може да накара човек да загуби по-голямата част от атмосферата си? Лопес и Фортни предположиха, че едно просто първоначално условие може да е различно: маса на ядрото. Възможно е Kepler-36b първоначално да стартира като малко по-малко масивна протопланета от съседната си, което означава, че има съответно по-ниска скорост на бягство и затова му беше по-лесно да губи газ.

Теоретиците решиха да изпробват това. Те симулираха голям набор от екзопланети, обхващайки широка гама от основни маси и композиции. След симулиране на фотоевапоративни загуби за 7 милиарда години - възрастта на системата - те откриха параметри, възпроизвеждащи получените свойства на екзопланетите. Kepler-36b започна с основна маса от 4,45 земни маси - приблизително същата като сегашната му маса и загуби драматични количества водород и хелий през първите 100 милиона години. След два милиарда години неговата водородна / хелийна обвивка напълно изчезна.

Фигура 1, Lopez & Fortney 2013. Kepler-36b и Kepler-36c, докато започват със същия състав, се развиват по съвсем различни начини през първите сто милиона години от своето формиране.

Kepler-36c, от друга страна, запази значително количество от обвивката си, след като започна с основна маса от 7,4 земни маси. Той също загуби маса благодарение на фотоепорацията, но много по-бавно и не толкова драматично. Това позволява да се превърне в обект, подобен на Нептун, с атмосфера водород / хелий, много по-различна от съседната. Дори и двете планети да започнат с еднакъв състав - 22% водород и хелий, разликата в основната маса беше достатъчна, за да ги изпрати по два напълно различни пътя.

Какво означава това за екзопланетологията?

Хипотезата за основната маса е изключително примамлива. Ако е вярно, това означава, че случайността в протопланетарните дискове може по естествен начин да оформи системите по много различни начини. Той премахва необходимостта от миграция - деликатен процес - за да се обясни този вид несъответствие на плътността. И накрая, това трябва да е възможно във всяка протопланетна система - която е щастлива, тъй като оттогава се наблюдава същия контраст на плътност при други двойки екзопланети (вж. Kipping et al. 2014). В момента може да се окаже, че ще обясни системата Kepler-36.

Независимо от механизма зад тази странна двойка екзопланети, те показват, че могат да съществуват изключително разнообразни системи от екзопланети. Не искам да кажа, че всяка комбинация от маси, композиции и орбити може да съществува, но все пак трябва да очакваме да открием екзотични системи, които не биха били на мястото си, да речем, в Star Wars. Няма да е изключено един вид, който живее в света на джунглата, да скочи на космически кораб и да пътува до близкия малък газов гигант след няколко месеца.

Все още се интересувате за какви екзотични системи говоря? Брандън Вайгел написа страхотна статия за екзопланетите, които може да намерите - океански светове, железни планети и много други. Виж това!