С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) астрономы обнаружили четвертый мир в странной системе сверхлегких «сверхпухлых» планет.
Новая внесолнечная планета или « экзопланета » была обнаружена вокруг солнцеподобной звезды Кеплер-51, расположенной на расстоянии около 2615 световых лет от нас в созвездии Лебедя .
Примечательно, что новый мир, обозначенный как Kepler-51e, не просто четвертая экзопланета, обнаруженная на орбите этой звезды; все эти другие миры представляют собой планеты, похожие на сахарную вату. Это означает, что это может быть целая система некоторых из самых легких планет, когда-либо обнаруженных.
«Сверхпухлые планеты очень необычны, поскольку имеют очень малую массу и низкую плотность», — заявила в своем заявлении Джессика Либби-Робертс, член команды Центра экзопланет и обитаемых миров Университета штата Пенсильвания . «Три ранее известные планеты, вращающиеся вокруг звезды Kepler-51, примерно размером с Сатурн, но всего в несколько раз тяжелее Земли, что приводит к плотности, как у сахарной ваты».
Либби-Робертс добавила, что команда предполагает, что эти планеты, похожие на сладкую вату, имеют крошечные ядра и огромные, пухлые атмосферы из водорода или гелия.
«Как образовались эти странные планеты и как их атмосферы не были сдуты интенсивным излучением их молодой звезды, остается загадкой», — добавила она. «Мы планировали использовать JWST для изучения одной из этих планет, чтобы помочь ответить на эти вопросы, но теперь нам нужно объяснить четвертую маломассивную планету в системе!»
Kepler-51: Милая звездная система
Четвертый обитатель этой странной планетной системы был обнаружен, когда группа под руководством исследователей из Университета штата Пенсильвания и Университета Осаки приступила к изучению свойств его более легкого собрата, Kepler-51d .
Команда была шокирована, когда Kepler-51d, как оказалось, пересек диск своей родительской звезды или совершил транзит на два часа раньше запланированного срока.
Транзиты полезны для астрономов, потому что, когда звездный свет проходит через атмосферу планеты, различные элементы в этой атмосфере поглощают свет на характерных длинах волн. Это означает, что они оставляют свой «отпечаток», позволяя астрономам определять состав атмосферы, среди других характеристик планеты, путем анализа длин волн обнаруженного света.
Астрономы привыкли к тому, что планеты совершают транзиты либо на несколько минут раньше, либо на несколько минут позже, и расчеты команды были неточны на 15 минут. Однако это не может объяснить двухчасовую ошибку.
Они ожидали, что Kepler-51d совершит транзит в 2 часа ночи по восточному поясному времени в июне 2023 года после успешного использования своей модели из трех планет для предсказания транзита Kepler-51d в мае 2023 года. Исследователи подготовились к наблюдению за событием с помощью телескопа JWST и Apache Point Observatory (APO). Они были шокированы, когда транзит не произошел так, как предсказывалось, и, вернувшись к своим данным, обнаружили, что он уже произошел.
«Слава богу, мы начали наблюдение на несколько часов раньше, чтобы установить исходную точку, потому что наступило 2 часа ночи, затем 3, а мы все еще не наблюдали изменения яркости звезды с помощью APO», — сказала Либби-Робертс. «После лихорадочного повторного запуска наших моделей и тщательного изучения данных мы обнаружили небольшое
падение яркости звезды сразу же, как только начали наблюдение с помощью APO, что в итоге оказалось началом транзита — на 2 часа раньше, что значительно превышает 15-минутное окно неопределенности наших моделей!»
Обратившись к архивным данным с космических и наземных телескопов, чтобы объяснить, почему они чуть не пропустили транзит с JWST, команда пришла к выводу, что лучшим объяснением является наличие до сих пор не обнаруженного мира.
«Мы были действительно озадачены ранним появлением Kepler-51d, и никакая тонкая настройка модели из трех планет не могла объяснить столь большое расхождение», — сказал член команды и доцент кафедры наук о Земле и космосе в Университете Осаки Кенто Масуда. «Только добавление четвертой планеты объяснило эту разницу. Это первая планета, обнаруженная с помощью вариаций времени транзита с использованием JWST».
Этот мир влияет на орбиты других планет в системе, включая Kepler-51d, что объясняет, почему он совершил транзит так рано.
«Мы провели так называемый поиск методом «грубой силы», протестировав множество различных комбинаций свойств планет, чтобы найти модель из четырех планет, которая объясняет все данные о транзите, собранные за последние 14 лет», — объяснил Масуда. «Мы обнаружили, что сигнал лучше всего объясняется, если Kepler-51e имеет массу, близкую к массе трех других планет, и движется по довольно круговой орбите примерно за 264 дня — то, чего мы ожидали бы, основываясь на других планетных системах.
«Другие возможные решения, которые мы нашли, предполагают наличие более массивной планеты на более широкой орбите , хотя мы считаем их менее вероятными».
Как звезда собирает планеты из сладкой ваты?
Когда команда скорректировала свои модели системы Kepler-51 с учетом новой планеты, им также пришлось снизить ожидаемые массы других ее планет.
Это также влияет на теории о других свойствах этих планет и о том, как могла сформироваться такая необычная планетная система . Исследователям необходимо, чтобы Kepler-51e прошел транзитом мимо своей звезды, прежде чем они смогут подтвердить, что это суперпухлая планета.
«Планеты-суперпуффы встречаются довольно редко, и когда они случаются, то, как правило, являются единственными в планетной системе», — сказала Либби-Робертс. «Если попытка объяснить, как образовались три суперпуффа в одной системе, была недостаточно сложной, теперь нам нужно объяснить четвертую планету, является ли она суперпуффом или нет. И мы также не можем исключить дополнительные планеты в системе».
Поскольку Kepler-51e имеет орбиту в 264 дня, потребуется больше времени для наблюдения за системой, прежде чем исследователи смогут быть уверены в том, как гравитация новой планеты влияет на ее родственные миры.
«Kepler-51e имеет орбиту немного больше, чем у Венеры , и находится как раз внутри обитаемой зоны звезды, так что за пределами этого расстояния может происходить гораздо больше, если мы потратим время на изучение», — заключила Либби-Робертс. «Продолжение наблюдения за изменениями времени транзита может помочь нам обнаружить планеты, которые находятся дальше от своих звезд, и может помочь в нашем поиске планет, которые потенциально могут поддерживать жизнь ».