Неуловимая стабильность: почему орбита экстремальной экзопланеты не спешит меняться

Группа астрофизиков под руководством Чарльза Бейхмана из Лаборатории реактивного движения NASA и Института экзопланетных наук NASA и других научных центров, провела масштабное исследование орбиты экзопланеты HD 80606 b. Ученые использовали более чем 25-летний массив данных, включая измерения радиальной скорости звезды, моменты транзитов и затмений планеты, а также новые сверхточные наблюдения с телескопов JWST, CHEOPS и Spitzer. Главный результат работы — орбита планеты остается стабильной в пределах предсказаний общей теории относительности, а каких-либо дополнительных возмущений, вызванных приливами или скрытой планетой, не обнаружено.  

Объектом изучения стала планета HD 80606 b, один из самых экстремальных миров, известных на сегодняшний день. Она обращается вокруг звезды, похожей на Солнце, но по орбите, которая больше напоминает кометную: ее эксцентриситет составляет 0,932. Это означает, что расстояние до звезды меняется в десятки раз. В самой дальней точке планета находится примерно на расстоянии, сравнимым с орбитой Венеры, а в самой близкой подлетает к звезде настолько, что ее атмосфера нагревается до температур, при которых плавятся металлы. Полный оборот занимает 111,4 земных суток, и за это время планета успевает пережить резкие перепады тепла, что делает ее идеальной природной лабораторией для изучения атмосферной динамики и гравитационных эффектов.

Главный вопрос, который заинтересовал исследователей: может ли такая вытянутая орбита изменяться со временем. Теоретически на нее влияют сразу несколько факторов. Во-первых, это эффекты общей теории относительности, которые должны медленно поворачивать орбиту в пространстве (это явление впервые заметили на примере Меркурия). Во-вторых, это приливные взаимодействия: когда планета проходит вблизи звезды, ее гравитация деформирует поверхность звезды, и это постепенно может менять форму орбиты. В-третьих, не исключено, что в системе есть еще одна, пока не обнаруженная планета, которая гравитационно «раскачивает» HD 80606 b. Все эти эффекты проявились бы в виде постепенного смещения времени транзитов или затмений, а также в изменении аргумента периастра — угла, который описывает ориентацию эллипса.

Чтобы проверить это, авторы собрали огромный объем данных. В их распоряжении оказалось 187 измерений радиальной скорости звезды, выполненных на обсерваториях Кека, а также девять точных моментов транзитов и затмений. Среди них были данные с космического телескопа Spitzer (еще 2007 и 2010 годов), наземные наблюдения, наблюдения телескопа TESS, одно новое измерение транзита с помощью телескопа CHEOPS в 2021 году и, самое главное, два сверхточных затмения, зафиксированных телескопом Джеймс Уэбб (JWST) в 2022 и 2023 годах. JWST позволил определить время затмений с погрешностью всего 12–42 секунды, это почти на порядок точнее предыдущих измерений. Важно, что ученые также внесли поправку на время распространения света от планеты до Земли, так как из-за вытянутой орбиты расстояние до нее меняется и время прихода сигнала слегка сдвигается.

В ходе анализа были построены четыре модели. В первой использовались только данные по радиальной скорости, во второй радиальная скорость плюс семь старых замеров времени транзитов и затмений, в третьей добавили оба измерения JWST, а в четвертой к тому же разрешили аргументу периастра медленно меняться со временем. Все модели показали превосходное согласие с наблюдениями.

Оказалось, что простая модель с постоянными параметрами (период, эксцентриситет, аргумент периастра) объясняет данные ничуть не хуже, чем модель с плавным изменением орбиты. Главный итог таков: если орбита и меняется, то ровно в той степени, которую уже сто лет назад предсказал Эйнштейн. Все наши замеры дают цифру, близкую к теоретической, а небольшая разница настолько мала по сравнению с погрешностью измерений, что ее можно смело списать на технические шумы. Никакого секретного влияния, ни приливов, ни скрытой планеты пока не видно.

Отдельно авторы проверили, не вызваны ли небольшие расхождения с предыдущими предсказаниями (например, работа Пирсона и коллег 2022 года) ошибками в обработке старых данных. Они пришли к выводу, что в более раннем анализе слишком большой вес придали единственному тогдашнему измерению затмения от Spitzer, которое было не очень точным, а также недооценили неопределенность в определении комбинации параметров, связанных с эксцентриситетом. Новое моделирование с правильным взвешиванием дало гораздо более надежные результаты.

Что касается возможной второй планеты, то здесь работа тоже дает важные ограничения. Если бы в системе находилась массивная планета, она оставила бы след в виде периодических изменений радиальной скорости звезды. Авторы провели численное моделирование и выяснили: любой объект с массой больше примерно 100 масс Земли на расстоянии до 2 астрономических единиц был бы уже заметен в данных. Более легкие планеты или планеты на более далеких орбитах пока исключить нельзя.

Кроме того, гипотетическая вторая планета могла бы вызывать небольшие колебания во времени транзитов и затмений, так называемые TTV и ETV-эффекты. Однако новые данные JWST настолько точны, что позволяют исключить даже такие тонкие возмущения. По оценкам, если планета-соседка и есть, то ее масса должна лежать в диапазоне от 3 до 25 земных масс, а находиться она должна на расстоянии от 1,5 до 2 астрономических единиц. Но даже этот сценарий возможен лишь при определенных, довольно специфических условиях, например, при заметном наклоне орбиты или начальном эксцентриситете.

Особый интерес представляет предложенный авторами метод для будущих измерений. Они предлагают измерять не абсолютное время затмений, а интервал между затмением и следующим за ним транзитом в пределах одного оборота. Этот промежуток составляет около 5,8 суток и очень чувствителен к повороту орбиты. Достаточно провести четыре таких измерения на протяжении примерно шести лет, и можно будет с достоверностью 5-сигм зафиксировать даже комбинированный эффект от общей теории относительности и приливов. При этом на точность влияют только погрешности самого JWST, а не неопределенности периода или начальной эпохи, что делает этот метод очень надежным.

Таким образом, HD 80606 b остается одним из самых интересных объектов для экзопланетной науки. Она уже дала ценную информацию о поведении атмосфер в экстремальных условиях, а теперь еще и служит своеобразным «гравитационным полигоном» для проверки фундаментальных эффектов. Пока что орбита планеты ведет себя предсказуемо, но будущие наблюдения, особенно с использованием JWST, способны открыть тонкие приливные эффекты, которые позволят заглянуть внутрь планеты и понять, из чего она состоит и как устроена ее недра. Это станет важным шагом на пути к пониманию эволюции горячих юпитеров и их взаимодействия со звездами.

Глубокий анализ многолетних наблюдений показал, что орбита HD 80606 b остается неизменной в пределах погрешностей, а все зафиксированные эффекты согласуются с общей теорией относительности. Признаков приливного торможения или влияния другой планеты не обнаружено, однако установлены строгие верхние пределы на массу и расстояние любого возможного спутника. Новый метод измерения интервала между затмением и транзитом в ближайшие годы может позволить впервые надежно зарегистрировать приливное взаимодействие в такой экстремальной системе.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях