Новая планета в системе Kepler-51 обнаружена с помощью изменений времени транзита

Необычная планетная система с тремя известными сверхнизкоплотными «суперпухлыми» планетами (неплотный газовый гигант или суперпафф) имеет по крайней мере еще одну планету, согласно новому исследованию, проведенному учеными из Университета Пенсильвании и Университета Осаки.

Исследовательская группа приступила к изучению Kepler-51d, третьей планеты в системе, с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), но едва не упустила свой шанс, когда планета неожиданно прошла перед своей звездой на два часа раньше, чем предсказывали модели. После тщательного изучения новых и архивных данных с различных космических и наземных телескопов исследователи обнаружили, что лучшим объяснением является наличие четвертой планеты, гравитационное притяжение которой влияет на орбиты других планет в системе.

«Сверхпухлые планеты очень необычны тем, что у них очень малая масса и низкая плотность», — сказала Джессика Либби-Робертс, научный сотрудник Центра экзопланет и обитаемых миров в Университете Пенсильвании и соавтор статьи.

Kepler-51 — это звезда возрастом ≲1 млрд лет, похожая на Солнце, имеющая три транзитные планеты с радиусами ≈6–9 R ⊕ и орбитальными периодами ≈45–130 дней.

«Три ранее известные планеты, вращающиеся вокруг звезды Kepler-51, примерно размером с Сатурн, но всего в несколько раз тяжелее Земли, что приводит к плотности, как у сахарной ваты. Мы думаем, что у них крошечные ядра и огромные атмосферы из водорода и гелия, но то, как образовались эти странные планеты и как их атмосферы не были сдуты интенсивным излучением их молодой звезды, остается загадкой. Мы планировали использовать JWST для изучения одной из этих планет, чтобы помочь ответить на эти вопросы, но теперь нам нужно объяснить четвертую планету в системе!»

Когда планета проходит перед своей звездой или совершает транзит, если смотреть с Земли, она блокирует часть света звезды, вызывая небольшое уменьшение яркости звезды. Продолжительность и величина этого уменьшения дают подсказки о размере планеты и других характеристиках. Планеты иногда совершают транзит на несколько минут раньше или позже, потому что гравитация других планет в системе притягивает их. Эти незначительные различия известны как вариации времени транзита и встроены в модели астрономов, чтобы позволить им точно предсказать, когда планеты будут проходить транзит.

Исследователи заявили, что у них нет оснований полагать, что трехпланетная модель системы Kepler-51 неточна, и они успешно использовали модель для прогнозирования времени транзита Kepler-51b в мае 2023 года, а затем продолжили наблюдение с помощью телескопа обсерватории Apache Point (APO) для его запланированного наблюдения.

«Мы также пытались использовать телескоп Penn State Davey Lab для наблюдения за транзитом Kepler-51d в 2022 году, но некоторые неудачно выбранные облака заблокировали наш обзор как раз в тот момент, когда прогнозировалось начало транзита», — сказала Либби-Робертс. «Возможно, мы бы тогда узнали, что что-то не так, но у нас не было причин подозревать, что у Kepler-51d не будет транзита, как ожидалось, когда мы планировали наблюдать его с помощью JWST».

Разработанная группой модель из трех планет предсказывала, что транзит Kepler-51d произойдет около 2 часов ночи по восточному времени (EDT) в июне 2023 года, и исследователи приготовились наблюдать это событие с помощью JWST и APO.

«Слава богу, мы начали наблюдение на несколько часов раньше, чтобы установить исходную точку, потому что наступило 2 часа ночи, затем 3, а мы все еще не наблюдали изменения яркости звезды с помощью APO», — сказала Либби-Робертс. «После лихорадочного повторного запуска наших моделей и тщательного изучения данных мы обнаружили небольшое падение яркости звезды сразу же, как только начали наблюдение с помощью APO, что в итоге оказалось началом транзита — на 2 часа раньше, что значительно превышает 15-минутное окно неопределенности наших моделей!»

Проанализировав новые данные APO и JWST, исследователи подтвердили, что запечатлели транзит Kepler-51d, хотя и значительно раньше, чем ожидалось.

«Мы были действительно озадачены ранним появлением Kepler-51d, и никакая тонкая настройка модели из трех планет не могла объяснить столь большое расхождение», — сказал Кенто Масуда, доцент кафедры наук о Земле и космосе в Университете Осаки и соавтор статьи. «Только добавление четвертой планеты объяснило эту разницу. Это первая планета, обнаруженная с помощью вариаций времени транзита с использованием JWST».

Чтобы помочь объяснить, что происходит в системе Kepler-51, исследовательская группа пересмотрела предыдущие транзитные данные с космического телескопа Kepler и спутника Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Они также провели новые наблюдения внутренних планет в системе, в том числе с помощью космического телескопа Хаббл (Hubble) и телескопа Palomar Observatory Калифорнийского технологического института, и получили архивные данные с нескольких наземных телескопов. Поскольку новая планета Kepler-51e пока не наблюдалась транзитной — возможно, потому, что она может не проходить по линии прямой видимости между своей звездой и Землей — исследователи отметили, насколько важно получить как можно больше данных для поддержки своих новых моделей.

«Мы провели так называемый поиск методом «грубой силы», протестировав множество различных комбинаций свойств планет, чтобы найти модель из четырех планет, которая объясняет все транзитные данные, собранные за последние 14 лет», — сказал Масуда. «Мы обнаружили, что сигнал лучше всего объясняется, если Kepler-51e имеет массу, близкую к массе трех других планет, и совершает оборот по довольно круговой орбите примерно за 264 дня — то, что мы ожидали бы, основываясь на других планетных системах. Другие возможные решения, которые мы нашли, включают более массивную планету на более широкой орбите, хотя мы думаем, что они менее вероятны».

Учет четвертой планеты и корректировка моделей также изменяют ожидаемые массы других планет в системе. По словам исследователей, это влияет на другие предполагаемые свойства этих планет и сообщает, как они могли образоваться. Хотя внутренние три планеты немного массивнее, чем считалось ранее, они все еще классифицируются как неплотные газовые гиганты. Однако неясно, является ли Kepler-51e таким же, поскольку исследователи не наблюдали транзит Kepler-51e и, следовательно, не могут рассчитать его радиус или плотность.

«Планеты-суперпаффы встречаются довольно редко, и когда они есть, они, как правило, единственные в планетной системе», — сказала Либби-Робертс. «Если попытка объяснить, как образовались три суперпаффа в одной системе, была недостаточно сложной, теперь нам нужно объяснить четвертую планету, является ли она суперпаффом или нет. И мы также не можем исключить дополнительные планеты в системе».

Поскольку исследователи полагают, что период обращения по орбите Kepler-51e составляет 264 дня, они заявили, что для получения более полной картины воздействия его гравитации (или гравитации дополнительных планет) на три внутренние планеты системы необходимо дополнительное время наблюдений.

«Kepler-51e имеет орбиту немного больше, чем у Венеры, и находится прямо внутри обитаемой зоны звезды, так что за пределами этого расстояния может происходить гораздо больше, если мы потратим время на изучение», — сказала Либби-Робертс. «Продолжение изучения изменений времени транзита может помочь нам обнаружить планеты, которые находятся дальше от своих звезд, и может помочь в нашем поиске планет, которые потенциально могут поддерживать жизнь».

В настоящее время исследователи анализируют остальные данные JWST, которые могут предоставить информацию об атмосфере Kepler-51d. Изучение состава и других свойств трех внутренних планет также может улучшить понимание того, как образовались необычные сверхнизкоплотные суперпухлые планеты, говорят исследователи.

Открытие новой планеты подробно описано в статье, опубликованной в Astronomical Journal. DOI: 10.3847/1538-3881/ad83d3