Обнаружена экзопланета, плотность которой вдвое превышает плотность Земли, и ученые не знают, как она образовалась

Проведя измерения очень молодой экзопланеты размером с Юпитер под названием HD-114082b, ученые обнаружили, что ее свойства не соответствуют ни одной из двух популярных моделей формирования планет-гигантов. Иначе говоря, она слишком тяжелая для своего возраста.

По сравнению с принятыми в настоящее время моделями плотность HD-114082b примерно в два-три раза превышает плотность для молодого газового гиганта возрастом всего 15 миллионов лет.

Эта экзопланета, вращающаяся вокруг звезды HD-114082 на расстоянии около 300 световых лет от Земли, стала предметом интенсивной кампании по сбору данных. HD-114082b является одной из самых молодых экзопланет из когда-либо найденных, и понимание ее свойств может дать ключ к пониманию того, как формируются планеты — процесс, который до конца не изучен.

Для всесторонней характеристики экзопланеты необходимы два типа данных, основанных на влиянии, которое она оказывает на свою родительскую звезду. Транзитные данные — это запись того, как тускнеет свет звезды, когда перед ней проходит вращающаяся экзопланета. Если мы знаем, насколько яркая звезда, это слабое затемнение может показать размер экзопланеты.

С другой стороны, данные о лучевой скорости — это запись того, насколько сильно звезда колеблется на месте в ответ на гравитационное притяжение экзопланеты. Если мы знаем массу звезды, то амплитуда ее колебаний может дать нам массу экзопланеты.

В течение почти четырех лет исследователи собирали наблюдения за лучевой скоростью HD-114082. Используя комбинированные данные о транзите и лучевой скорости, ученые определили, что HD-114082b имеет такой же радиус, как Юпитер, но в 8 раз больше Юпитера по массе. Это означает, что плотность экзопланеты примерно в два раза больше плотности Земли и почти в 10 раз больше плотности Юпитера.

Размер и масса этой молодой экзопланеты означают, что маловероятно, что она будет сверхбольшой каменистой планетой; верхний предел для них составляет около 3 земных радиусов и 25 земных масс.

Каменистые экзопланеты также имеют очень небольшой диапазон плотностей. Выше этого диапазона тело становится более плотным, и гравитация планеты начинает удерживать значительную атмосферу из водорода и гелия.

HD-114082b значительно превышает эти параметры, что означает, что это газовый гигант. Но астрономы не знают, как он образовался.

«Мы думаем, что планеты-гиганты могут формироваться двумя возможными способами», — говорит астроном Ральф Лаунхардт из MPIA. «Оба происходят внутри протопланетного диска из газа и пыли, распределенного вокруг молодой центральной звезды».

Эти два способа называются «холодным стартом» или «горячим стартом». Считается, что при холодном старте экзопланета формируется камень за камнем из обломков диска, вращающегося вокруг звезды.

Ее части притягиваются сначала электростатически, а затем гравитационно. Чем большую массу она набирает, тем быстрее она растет, пока не станет достаточно массивной, чтобы вызвать неконтролируемую аккрецию водорода и гелия, самых легких элементов во Вселенной, в результате чего вокруг каменного ядра образуется массивная газовая оболочка.

Учитывая, что газы теряют тепло по мере того, как они падают к ядру планеты и образуют атмосферу, это считается относительно прохладным вариантом.

Горячий старт также известен как нестабильность диска, и считается, что он происходит, когда закрученная область нестабильности в диске непосредственно схлопывается сама по себе под действием силы тяжести. Получившееся тело представляет собой полностью сформированную экзопланету, не имеющую каменистого ядра, где газы сохраняют больше своего тепла.

Экзопланеты, которые испытывают холодный или горячий старт, должны охлаждаться с разной скоростью, производя различные характеристики, которые ученые должны наблюдать.

По словам исследователей, свойства HD-114082b не соответствуют модели горячего запуска; ее размер и масса больше соответствуют аккреции ядра. Но даже тогда она все еще слишком массивна для своего размера. Либо у нее необычно плотное ядро, либо происходит что-то еще.

«Еще слишком рано отказываться от концепции «горячего старта», — говорят ученые . «Все, что мы можем сказать, это то, что мы до сих пор не очень хорошо понимаем формирование планет-гигантов».

Эта экзопланета является одной из трех известных планет моложе 30 миллионов лет, для которых астрономы получили измерения радиуса и массы. Пока что все три кажутся несовместимыми с моделью нестабильности диска.

Очевидно, что три планеты — это очень маленький размер выборки, но она предполагает, что, возможно, аккреция ядра может быть более распространенной.

«Хотя для подтверждения этой тенденции необходимо больше таких планет, мы считаем, что теоретики должны начать переоценку своих расчетов», — говорят планетологи.

«Удивительно, как результаты наших наблюдений возвращаются в теорию формирования планет. Они помогают улучшить наши знания о том, как растут эти гигантские планеты, и говорят нам, где лежат пробелы в нашем понимании».

Исследование было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.