Новые данные ESPRESSO уточнили массы трех планет системы K2-3 в обитаемой зоне

Международная группа астрономов под руководством Авиадаана Шриваставы из Института исследований экзопланет Троттье при Монреальском университете (Канада) представила обновленные данные о знаменитой планетной системе K2-3. Исследователи объединили восемь лет наблюдений с нескольких спектрографов, включая ESPRESSO, HARPS и HIRES, и существенно уточнили массы трех планет, вращающихся вокруг красного карлика.  

Система K2-3 — это редкий космический «триптих», который природа собрала с удивительной симметрией. Три планеты обращаются вокруг спокойной звезды типа M0, и их размеры уменьшаются по мере удаления от нее: ближняя планета — мини-Нептун, средняя — промежуточный мир, а дальняя — супер-Земля. Такая «перевернутая» архитектура, когда маленькие планеты оказываются снаружи, а большие внутри, встречается крайне редко. Более того, две внешние планеты находятся в зоне умеренных температур (зона обитания), где на поверхности может существовать жидкая вода. Именно поэтому K2-3 является одной из самых наблюдаемых систем у близких красных карликов, а новая работа добавляет к ее портрету важные штрихи.

Система K2-3 расположена на расстоянии около 45 парсеков от Земли. Ее звезда — красный карлик, который вращается вокруг своей оси примерно за 40,5 суток. Это важно, потому что активность звезды создает шум в спектральных данных, который может имитировать присутствие планет. Чтобы отделить «зерна от плевел», авторы использовали сразу несколько инструментов. Наземные спектрографы HARPS и HARPS-N работали в Чили и на Канарских островах, HIRES на Гавайях, а ESPRESSO, установленный на Очень большом телескопе в Чили, стал главным «героем» нового исследования. Именно ESPRESSO обеспечил рекордную точность измерений: около 60 сантиметров в секунду, что позволило увидеть слабые гравитационные покачивания звезды, вызванные планетами.

Для обработки данных применялся метод «линия за линией» (line-by-line), который анализирует форму спектральных линий индивидуально, а не общую корреляционную функцию. Это дало примерно 20-процентное улучшение точности по сравнению с предыдущими анализами данных HARPS и HARPS-N. Дополнительно ученые использовали многомерный гауссов процесс — математический инструмент, который одновременно моделирует и активность звезды, и движение планет.

Что же удалось выяснить? Масса ближайшей к звезде планеты K2-3 b оказалась равной 6,61 массы Земли, и уверенность в том, что эта планета действительно существует, выросла вдвое: если раньше сигнал был на грани статистической значимости, то теперь он виден гораздо четче. Это мир, который по плотности и размеру напоминает мини-Нептун.

Средняя планета K2-3 c имеет массу 2,23 массы Земли — чуть меньше, чем показывали предыдущие работы. А вот дальняя планета K2-3 d подала лишь слабый сигнал, который ученые пока не решаются назвать полноценным открытием. В данных появился намек на ее присутствие, но он настолько слаб, что его с равной вероятностью можно списать на шум или остаточную активность звезды.

Масса этой планеты, если она действительно существует, оценивается примерно в 2,12 массы Земли, однако разброс огромен — плюс-минус 1,27 массы Земли, а верхний предел доходит до 5,17 массы Земли. Для сравнения: у K2-3 b масса известна гораздо точнее — 6,61 плюс-минус 0,47 массы Земли. Чтобы надежно подтвердить существование K2-3 d, по расчетам авторов, потребуется еще около ста измерений с ESPRESSO.

Положение планет на диаграмме «масса — радиус» говорит о том, что все три мира, скорее всего, богаты летучими веществами. Для K2-3 b и c подходят либо плотная водородно-гелиевая атмосфера, либо водный мир с большим количеством воды. Для K2-3 d ситуация неоднозначна: в пределах одной сигмы возможны и водный мир, и богатая водородом оболочка, и даже полностью каменистое тело без ядра. Такая неопределенность связана с большой ошибкой в массе.

Отдельный раздел работы посвящен перспективам наблюдений с телескопом «Джеймс Уэбб». Ученые смоделировали, как будут выглядеть спектры пропускания этих планет, если у них есть водородно-гелиевая атмосфера или же водная оболочка. Расчеты показали, что даже одного транзита с инструментами NIRISS/SOSS и NIRSpec/G395H должно хватить, чтобы отличить эти два сценария друг от друга. Конечно, облака, дымка и шум инструментов могут усложнить задачу, но принципиальная возможность есть.

В итоге новая работа существенно уточнила массы планет системы K2-3 и подтвердила, что это уникальная лаборатория для изучения того, как формируются и эволюционируют миры вблизи красных карликов. Ближняя планета стала «тяжелее» и увереннее в своем статусе, средняя — немного «легче», а дальняя подала слабый голос, который, однако, требует дополнительных подтверждений. Все три планеты, вероятно, содержат значительные запасы летучих веществ, а их атмосферы можно будет различить с помощью «Джеймса Уэбба» уже в ближайшие годы.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях