Планеты, которых не должно быть: астрономы усомнились в существовании мега-Земель

Новое исследование экзопланет выполнили ученые из Университета Макгилла (McGill University) и Троттьеского космического института (Trottier Space Institute) в Монреале, Канада. Они обнаружили, что так называемые «мега-Земли» — скалистые планеты с массой более десяти масс Земли скорее всего, не существуют в реальности, а являются артефактом звездной активности, которая искусственно завышает измеренные массы планет. Работа опубликована в виде препринта на arXiv (представлена в ApJL) и посвящена анализу экзопланет с радиусами меньше четырех земных радиусов.

Астрономы уже несколько десятилетий спорят о том, насколько массивной может быть скалистая планета. Теория формирования планет говорит, что как только ядро будущей планеты превышает примерно десять масс Земли, оно почти неизбежно начинает стремительно набирать газ из протопланетного диска и превращается в газовый гигант или, как минимум, в планету с плотной газовой оболочкой. Иными словами, «чисто каменных» миров тяжелее этого порога быть не должно.

Однако в научной литературе время от времени появляются объекты, которые по массе и радиусу выглядят как очень плотные скалистые планеты, но при этом заметно тяжелее теоретического предела. Их и называют «мега-Землями». Авторы новой работы решили разобраться, стоит ли доверять этим находкам, и пришли к выводу, который ставит под сомнение не только сами мега-Земли, но и надежность одного из самых популярных методов измерения масс экзопланет.

Для начала исследователи собрали из NASA Exoplanet Archive все планеты радиусом до четырех земных радиусов, у которых есть опубликованные измерения и массы, и радиуса. Они отбросили объекты с верхними пределами массы, с массами, полученными лишь из соотношений «масса-радиус», с очень большой неопределенностью и с массами, найденными методом транзитных вариаций.

В итоге осталось 333 планеты. Затем с помощью статистического анализа плотности распределения планет в пространстве «масса-радиус» авторы выделили восемь объектов, которые выглядят аномально плотными и при этом тяжелее десяти масс Земли. Четыре из них — WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c и HD 63433 b — попадают в область, соответствующую чисто скалистому составу. Еще четыре — GJ 523 b, GJ 143 b, TOI-815 c и HD 18599 b, находятся чуть выше по плотности и, вероятно, обладают тонкой оболочкой из тяжелых летучих веществ, но без значительного количества водорода и гелия.

Дальше начинается самое интересное. Авторы посмотрели, вокруг каких звезд обращаются все эти необычные планеты. Оказалось, что все восемь вращаются вокруг магнитно активных звезд. Для сравнения, среди обычных скалистых планет с нормальными массами активных звезд-хозяев меньшинство. Если бы мега-Земли распределялись по звездам случайно, вероятность того, что все четыре скалистые мега-Земли окажутся у активных звезд, составляет около одного процента. А если учесть все восемь объектов, включая богатые летучими веществами, эта вероятность падает до 0,03 процента. Иными словами, совпадение крайне маловероятно.

Авторы задались вопросом: есть ли физическая причина, по которой мега-Земли должны предпочитать молодые и активные звезды? И не нашли ее. Наоборот, чтобы создать скалистую планету тяжелее десяти масс Земли, нужно либо избежать стремительного набора газа, либо потерять газовую оболочку уже после формирования. Оба пути требуют времени: столкновения планетезималей, миграция к звезде, потеря оболочки, — все это занимает миллионы и миллиарды лет. Логично ожидать, что такие планеты, если они существуют, должны чаще встречаться у старых, а не у молодых звезд. Но наблюдения показывают обратное.

Тогда исследователи рассмотрели альтернативное объяснение: звездная активность сама по себе искажает измерения. Активные звезды покрыты пятнами, которые вращаются вместе со звездой и создают ложные доплеровские сигналы в спектрах. Эти сигналы могут имитировать присутствие планеты или раздувать измеренную амплитуду ее движения, а значит, и массу. Особенно опасно, когда период обращения планеты близок к периоду вращения звезды или кратен ему. И действительно, у нескольких мега-Земель из выборки эти периоды подозрительно близки. Например, у TOI-2322 c период обращения почти совпадает с периодом вращения звезды. В таких случаях отделить планетный сигнал от звездного шума крайне сложно.

Чтобы справиться с этой проблемой, астрономы обычно применяют гауссовские процессы — гибкий математический метод, который описывает коррелированный шум и позволяет вычитать вклад звездной активности из данных. Все восемь мега-Земель были открыты или подтверждены именно с использованием таких процессов, причем с привлечением фотометрии для задания ограничений на период вращения звезды и время жизни пятен.

Но, как отмечают авторы, даже хорошо настроенный гауссовский процесс может быть слишком гибким и «съесть» часть планетного сигнала или, наоборот, оставить в данных ложный сигнал, который потом интерпретируется как планета с большой массой. Особенно тревожно, что у трех из пяти скалистых мега-Земель отношение амплитуды планетного сигнала к шуму ниже критического порога, при котором метод гауссовских процессов считается надежным. А у HD 63433 b авторы первоначального исследования сами предупреждали, что их масса может быть результатом переобучения модели, и призывали относиться к ней с осторожностью.

Отдельно авторы разбирают каждую систему. WASP-84 c обращается вокруг активной звезды с периодом вращения около 14 дней, и уровень шума в данных о лучевых скоростях превышает планетный сигнал. TOI-1347 b вращается очень близко к звезде, но период ее обращения заметно короче периода вращения звезды, что немного помогает, однако шум все равно сравним с сигналом. TOI-2322 c — самый проблемный случай, поскольку период планеты почти совпадает с периодом вращения звезды. HD 63433 b — молодая планета с очень большой заявленной массой, но независимый анализ другой группы астрономов дал лишь верхний предел, вдвое меньший. GJ 523 b, GJ 143 b, TOI-815 c и HD 18599 b также обращаются вокруг активных звезд, и в каждом случае период обращения либо близок к периоду вращения, либо кратен ему, либо шум сравним с сигналом.

Авторы также отмечают, что существует систематическая предвзятость: планеты с большими амплитудами сигнала легче обнаружить и опубликовать, а вокруг активных звезд шумовой фон выше, поэтому слабые сигналы теряются. В результате мы можем видеть только самые «громкие» сигналы, которые и выглядят как мега-Земли. Кроме того, даже самые современные методы моделирования звездной активности не гарантируют полного устранения ее влияния. Исследователи призывают к осторожности при интерпретации масс планет у активных звезд и предлагают стратегически планировать наблюдения так, чтобы лучше разделять сигналы звезды и планеты, например, проводить серии измерений с высокой частотой в течение ночи с небольшим смещением между ночами.

В итоге авторы приходят к выводу, что убедительных доказательств существования скалистых планет тяжелее примерно десяти масс Земли нет. Все восемь кандидатов в мега-Земли обращаются вокруг активных звезд, что крайне маловероятно случайно и не имеет физического обоснования. Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что звездная активность искусственно завышает измеренные массы этих планет, а гауссовские процессы, несмотря на широкое применение, не всегда способны надежно отделить планетный сигнал от звездного шума. Исследование не утверждает, что мега-Земли невозможны в принципе, но показывает, что на сегодняшний день нет надежных наблюдательных данных, которые подтверждали бы их существование.