Астрономы обнаружили гигантскую планету, плотность которой очень мала

Астрономы из Массачусетского технологического института, Льежского университета и других научных организаций обнаружили огромную странную планету, вращающуюся вокруг далекой звезды в нашей галактике Млечный Путь. Открытие, о котором сообщается в журнале Nature Astronomy, является многообещающим ключом к разгадке тайны формирования гигантских сверхлегких планет.

Новая планета, названная WASP-193b превосходит Юпитер по размеру, но ее плотность составляет лишь небольшую часть его плотности. Ученые обнаружили, что газовый гигант на 50 процентов больше Юпитера и примерно в десять раз менее плотный — это чрезвычайно низкая плотность, сравнимая c сахарной ватой.

WASP-193b — вторая самая легкая планета, обнаруженная на сегодняшний день, после меньшего, похожего на Нептун мира, Kepler 51d. Гораздо больший размер новой планеты в сочетании с ее сверхмалой плотностью делает WASP-193b странным миром среди более чем 5400 планет, открытых на сегодняшний день.

“Найти эти гигантские объекты с такой малой плотностью — большая редкость”, — говорит ведущий автор исследования Халид Баркауи. “Существует класс планет, называемых пухлыми Юпитерами (puffy planet, рыхлая планета), и вот уже 15 лет остается загадкой, что это за планеты. И это крайний случай из этого класса”.

«Мы не знаем, куда отнести эту планету во всех теориях формирования, которые у нас есть сейчас, потому что она является исключением из всех», — добавляет соавтор исследования Франсиско Посуэлос, старший научный сотрудник Института астрофизики Андалусии в Испании. «Мы не можем объяснить, как образовалась эта планета, основываясь на классических моделях эволюции. Более внимательное изучение ее атмосферы позволит нам получить представление о пути эволюции этой планеты».

Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются Жюльен де Вит, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института, и постдок Массачусетского технологического института Артем Бурданов, а также сотрудники из нескольких научных учреждений по всей Европе.

«Интересный поворот»

Новая планета была первоначально обнаружена в рамках проекта «Широкоугольный поиск планет» (WASP) — международного сотрудничества академических учреждений, которые вместе управляют двумя роботизированными обсерваториями: одна расположена в северном полушарии, а другая — в южном. Каждая обсерватория использует набор широкоугольных камер для измерения яркости тысяч отдельных звезд по всему небу.

В исследованиях, проведенных в период с 2006 по 2008 год, а также с 2011 по 2012 год, обсерватория WASP-South обнаружила периодические транзиты или провалы света от WASP-193 — яркой звезды, похожей на Солнце, расположенной на расстоянии 1232 световых лет от Земли. Астрономы определили, что периодические падения яркости звезды соответствуют тому, что планета вращается вокруг звезды и блокирует ее свет каждые 6,25 дней. Ученые измерили общее количество света, блокируемое планетой при каждом прохождении, что дало им оценку гигантского размера планеты, сравнимого с размером супер-Юпитера.

Затем астрономы попытались определить массу планеты — меру, которая затем позволила бы выявить ее плотность и, возможно, также дать ключ к ее составу. Чтобы получить оценку массы, астрономы обычно используют лучевую скорость — метод, с помощью которого ученые анализируют спектр звезды или различные длины волн света, когда планета вращается вокруг звезды. Спектр звезды может смещаться определенным образом в зависимости от того, что притягивает звезду, например, вращающаяся планета. Чем массивнее планета и чем ближе она к своей звезде, тем больше может смещаться спектр — искажение, которое может дать ученым представление о массе планеты.

Для WASP-193 b астрономы получили дополнительные спектры звезды с высоким разрешением, сделанные различными наземными телескопами, и попытались использовать лучевую скорость для расчета массы планеты. Но это не сработало — именно потому, что, как оказалось, планета была слишком легкой, чтобы иметь какое-либо ощутимое влияние на свою звезду.

“Как правило, большие планеты довольно легко обнаружить, потому что они обычно массивны и сильно притягивают свою звезду”, — объясняет де Вит. “Но что было сложным в этой планете, так это то, что, несмотря на то, что она большая — просто огромная, — ее масса и плотность настолько малы, что ее было очень трудно обнаружить только с помощью метода определения лучевой скорости. Это был интересный поворот”.

«WASP-193b настолько легкий, что потребовалось четыре года, чтобы собрать данные и доказать наличие массового сигнала, но он действительно очень крошечный», — говорит Халид Баркауи.

«Изначально мы получали чрезвычайно низкую плотность, во что было очень трудно поверить. Мы повторили процесс анализа всех данных несколько раз, чтобы убедиться, что это реальная плотность планеты, потому что это было очень редким явлением».

Раздутый мир

В конце концов команда подтвердила, что планета действительно очень легкая. По их подсчетам, ее масса составляет около 0,14 массы Юпитера. А плотность, вычисленная из массы, составила примерно 0,059 грамма на кубический сантиметр.

Плотность Юпитера, напротив, составляет около 1,33 г/см³; а Земли — более существенная — 5,51 г/см³. Пожалуй, наиболее близким по плотности к новой рыхлой планете материалом является сладкая вата, плотность которой составляет около 0,05 грамма на сантиметр в кубе.

«Планета настолько легкая, что трудно представить аналогичный твердотельный материал», — говорит Баркауи. «Причина, по которой она по плотности близка к сладкой вате, заключается в том, что оба они в основном состоят из легких газов, а не из твердых веществ. Планета, по сути, очень рыхлая».

Исследователи подозревают, что новая планета состоит в основном из водорода и гелия, как и большинство других газовых гигантов в галактике. Для WASP-193b эти газы, вероятно, образуют чрезвычайно раздутую атмосферу, которая простирается на десятки тысяч километров дальше, чем атмосфера Юпитера. Как именно планета может раздуваться до такой степени, сохраняя при этом сверхнизкую плотность, — это вопрос, на который пока не может ответить ни одна из существующих теорий формирования планет.

Чтобы иметь лучшее представление о новом мире, команда астрономов планирует использовать ранее разработанную технику, чтобы сначала получить определенные свойства атмосферы планеты, такие как ее температура, состав и давление на различных глубинах. Эти характеристики затем можно использовать для точного определения массы планеты. На данный момент команда рассматривает WASP-193b как идеального кандидата для последующего изучения обсерваториями, такими как космический телескоп Джеймс Уэбб.