Три системы с теплыми юпитерами показали, насколько разными могут быть пути формирования газовых гигантов

Команда астрономов под руководством Э. Кнудструпа из Орхусского университета открыла и описала две новые экзопланеты класса «теплых юпитеров» — TOI-5120 b и TOI-5699 b, а также уточнила параметры уже известной планеты TOI-2158 b и нашла в ее системе внешнего компаньона. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics (препринт доступен на arXiv).

Теплые юпитеры — это газовые гиганты, которые обращаются вокруг своих звезд на расстоянии, заметно большем, чем знаменитые горячие юпитеры, но все еще ближе, чем Юпитер к Солнцу. Их орбитальные периоды составляют от восьми до двухсот дней. Такие планеты долгое время оставались в тени своих более экстремальных собратьев: горячие юпитеры приливные силы звезды быстро «успокаивают», выравнивая орбиту и гася эксцентриситет, а потому они «забывают» о том, как именно туда попали. Теплые юпитеры, напротив, сохраняют следы своей динамической истории гораздо лучше. Именно поэтому астрономы считают их ключом к разгадке того, как гигантские планеты формировались и мигрировали в ранней истории своих систем.

В новой работе исследователи объединили данные космического телескопа TESS, который ищет планеты по слабым падениям яркости звезды во время транзита, с наземными измерениями лучевых скоростей. Для этого использовались спектрографы TS23 в обсерватории Макдональда в Техасе и FIES на Северном оптическом телескопе на Канарских островах. Лучевые скорости позволяют измерить массу планеты: звезда слегка покачивается под действием притяжения невидимого спутника, и это дрожание фиксируется в спектре. Комбинация транзитного метода и метода лучевых скоростей дает и радиус, и массу, а значит, плотность и возможный состав планеты.

Первая из новых планет, TOI-5120 b, оказалась весьма похожей на Юпитер по размерам и массе: ее радиус составляет примерно 0,97 радиуса Юпитера, а масса — около 1,23 массы Юпитера. Она обращается вокруг своей звезды за 24,9 дня по слегка вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0,1. Рядом с этой звездой астрономы обнаружили тусклого компаньона, вероятно, звезду-соседку, удаленную примерно на 300 астрономических единиц. Это важно, потому что наличие внешнего массивного тела может влиять на динамику внутренней планеты.

Вторая планета, TOI-5699 b, при почти таком же размере, как у Юпитера, оказалась в четыре с лишним раза легче — ее масса составляет всего около четверти массы Юпитера, что делает ее скорее «сатурноподобной». Она совершает оборот за 22 дня, а ее орбита, по всей видимости, заметно вытянута: эксцентриситет оценивается примерно в 0,3. Правда, авторы честно оговариваются, что данные пока не позволяют полностью исключить и круговую орбиту, сигнал на грани уверенного обнаружения. Никаких дополнительных компаньонов в этой системе пока не найдено, хотя наблюдения исключают присутствие других юпитероподобных планет на расстояниях до нескольких астрономических единиц.

Третий объект, TOI-2158 b, был известен и раньше, но новая работа существенно расширила картину. Эта планета с массой около 0,87 массы Юпитера и радиусом около 0,9 радиуса Юпитера обращается всего за 8,6 дня, то есть находится на границе между горячими и теплыми юпитерами. Продолжительные наблюдения выявили в системе еще одного компаньона, TOI-2158 c, с массой не менее 1,62 массы Юпитера и периодом около 414 дней. Его орбита весьма эксцентрична — 0,54. Более того, в данных лучевых скоростей просматривается долговременный тренд, который может указывать на третье, еще более далекое тело с периодом порядка 3300 дней и минимальной массой около семи масс Юпитера. Полный оборот этого гипотетического компаньона пока не прослежен, поэтому его параметры предварительны.

Смотрите также:

Все три звезды-хозяина оказались похожими: они богаты металлами и по своим свойствам напоминают Солнце на более поздней стадии жизни. Любопытно, что первоначальный анализ TOI-2158 давал возраст около 13 миллиардов лет — почти возраст Вселенной, что плохо согласуется с высоким содержанием железа, кальция и натрия. Такие элементы накапливаются постепенно, поколениями звезд, и их изобилие в древнейшей звезде выглядело бы странно. Пересмотр спектральных параметров и проверка галактической орбиты звезды привели к более разумной оценке возраста, около 7,7 миллиарда лет.

Авторы также проанализировали, как полученные системы вписываются в общую статистику теплых юпитеров. Они собрали данные о сотнях известных планет этого класса и построили распределение их эксцентриситетов. Оказалось, что среди теплых юпитеров преобладают планеты с почти круговыми орбитами, но есть и заметная доля вытянутых. При этом планеты, у которых есть внешние компаньоны, в среднем движутся по более эксцентричным орбитам, чем одиночки. Это согласуется с идеей, что гравитационные возмущения со стороны соседей могут раскачивать орбиту планеты, а затем приливное взаимодействие со звездой постепенно ее округляет. Металличность звезды тоже играет роль: возле более богатых металлами звезд чаще встречаются планеты с вытянутыми орбитами.

Наконец, исследователи оценили перспективы дальнейших наблюдений. Все три планеты хорошие цели для измерения эффекта, который позволяет определить угол между осью вращения звезды и плоскостью орбиты планеты. Этот угол хранит информацию о том, как планета мигрировала. Кроме того, TOI-5699 b благодаря своей низкой массе и, следовательно, более протяженной атмосфере является отличной целью для изучения состава воздуха, а TOI-2158 b для наблюдений теплового излучения. Продолжение мониторинга лучевых скоростей поможет окончательно подтвердить или опровергнуть наличие внешних компаньонов и уточнить эксцентриситеты.

В итоге работа добавляет в копилку хорошо изученных теплых юпитеров три системы с разными архитектурами: одну с массивным звездным соседом, одну с заметным эксцентриситетом и без видимых компаньонов и одну с богатой иерархией из нескольких планет. Именно такое разнообразие и помогает астрономам постепенно распутывать клубок путей, которыми газовые гиганты попадают на свои нынешние орбиты.