Горячий юпитер на краю гибели: звезда постепенно пожирает планету WASP-12b

Ученые из Принстонского университета и Канадского института теоретической астрофизики проверили гипотезу о том, что загадочное сокращение орбиты горячего юпитера WASP-12 b объясняется приливным воздействием наклоненной оси вращения планеты, поддерживаемым невидимым соседом. Исследование показало, что такой сосед должен быть гораздо массивнее, чем считалось, и его существование исключается данными радиоспектроскопических измерений. Работа опубликована в виде препринта на arXiv и принято к публикации в журнале ApJL.

Горячие юпитеры это газовые гиганты, которые обращаются вокруг своих звезд на очень близком расстоянии, за считанные дни. Теория предсказывает, что приливные силы должны постепенно приближать такую планету к звезде, пока она не упадет на нее. Однако на практике это удается заметить крайне редко.

Единственный надежно подтвержденный случай — WASP-12 b, планета, которая теряет свою орбиту с пугающей скоростью: ее период сокращается на 29 миллисекунд в год, а до гибели остается меньше трех миллионов лет. Это слишком быстро, чтобы объяснить обычным воздействием звезды.

Несколько лет назад астрофизики Сара Миллхолланд и Грег Лафлин предложили изящное решение: если ось вращения планеты наклонена, то приливное трение внутри самой планеты может быть гораздо сильнее. Но чтобы наклон оставался большим, нужен сосед, вторая планета, которая заставляет орбиту WASP-12 b покачиваться и не дает оси выровняться. По их оценкам, этот сосед должен быть примерно в десять раз массивнее Земли и находиться на расстоянии около 0,04 астрономической единицы от звезды.

Авторы новой работы решили проверить эту идею, обратив внимание на один важный момент, который ранее упускался из виду. Когда WASP-12 b приближается к звезде, ее орбитальный момент импульса — мера вращательного движения, должен куда-то деваться. Планета не может просто потерять его. В гипотезе Миллхолланд и Лафлина предполагалось, что этот момент передается соседней планете, которая разворачивается под нужным углом. Но чтобы принять весь накопленный момент, сосед должен быть значительно массивнее. Расчеты показали, что его масса должна составлять как минимум 65 масс Земли, а расстояние не менее 0,06 астрономической единицы. Это уже не маленькая планета, а скорее мини-нептун или даже более крупное тело.

Тогда исследователи обратились к реальным данным. Они собрали 106 измерений лучевой скорости WASP-12, полученных с четырех инструментов, включая новые данные с телескопа NEID. Лучевая скорость это крошечное покачивание звезды, вызванное притяжением планеты. Чем массивнее и ближе планета, тем сильнее она раскачивает звезду. Ученые провели тщательный поиск дополнительных сигналов в этих данных, используя статистические критерии, чтобы не спутать шум с настоящей планетой.

Оказалось, что никаких следов компаньона с параметрами, необходимыми для поддержания наклона, нет. Если бы такой сосед существовал, он вызывал бы колебания звезды со скоростью около 14 метров в секунду, что легко заметили бы современные приборы. Вместо этого данные позволяют исключить любые планеты с массой более 46 масс Земли на расстоянии 0,06 астрономической единицы с вероятностью 95 процентов.

Оставалась лазейка: если орбита соседа наклонена под небольшим углом к лучу зрения, его истинная масса может быть больше, а сигнал слабее. Но авторы показывают, что это не спасает гипотезу. Чтобы момент импульса передавался эффективно, орбиты обеих планет должны быть почти параллельны, а значит, наклон к наблюдателю должен быть большим.

Вероятность такого совпадения ничтожна. Кроме того, даже если бы сосед существовал, он не смог бы поглотить весь момент импульса: его собственная орбита не расширяется достаточно быстро, а другие причины, например, потеря массы планетой слишком слабы. В итоге гипотеза о приливном наклоне как причине быстрого падения WASP-12 b сталкивается с непреодолимыми трудностями.

Полученный результат важен не только для одной конкретной планеты. Он показывает, что объяснение загадочного сокращения орбиты нужно искать в других процессах, возможно, связанных с внутренним строением звезды или с еще не открытыми эффектами. А заодно исследование дает полезные ограничения на возможных соседей WASP-12 b: любые планеты в пределах трех астрономических единиц должны быть легче 46 масс Земли, а массивные коричневые карлики на расстоянии до десяти астрономических единиц исключены. Так что даже отрицательный результат приближает нас к пониманию того, как умирают горячие юпитеры.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях