Нерезонансные орбиты суперземель объяснили большим наклоном оси

Астрономы выдвинули теорию, объясняющую наблюдаемые отклонения от орбитальных резонансов в движении многих суперземель с периодом обращения менее 100 дней. Согласно новой идее, подобные особенности небесных тел можно объяснить в предположении, что оси их вращения значительно наклонены. Это, в свою очередь, усиливает приливы и изменяет параметры траекторий планет. Подобная конфигурация существенно влияет на климат планет и оценки их потенциальной обитаемости, пишут ученые в Nature Astronomy.

Если периоды орбит гравитирующих тел соотносятся как небольшие целые числа, то они будут регулярно воздействовать друг на друга с увеличенной силой тяготения — эта ситуация называется орбитальным резонансом. Это приводит к усилению обмена механической энергией между телами, что в некоторых случаях может сделать их орбиты неустойчивыми, а других — наоборот, их движение окажется более стабильным. Наиболее ярким примером стабильного резонанса в Солнечной системе являются внутренние спутники Юпитера Ганимед, Европа и Ио, периоды обращения которых соотносятся как 4:2:1. Сам Юпитер и Сатурн находятся почти в точном резонансе 2:5, а некоторые особенности пояса астероидов (щели Кирквуда) и колец планет (щель Кассини) объясняются неустойчивыми резонансными взаимодействиями.

Открытие большого количества экзопланет (в первую очередь благодаря наблюдениям космического телескопа «Кеплер») позволило выяснить, что многие планетные системы во Вселенной сильной отличаются от Солнечной. В частности, примерно у каждой третьей похожей на Солнце звезды можно найти суперземли с лежащими в одной плоскости круговыми орбитами с периодом менее 100 дней. Измерение параметров таких экзопланетных систем показало, что во многих случаях их орбиты близки к стабильным резонансам, но слегка от них отличаются. Это обстоятельство требовало объяснения, так как планеты должны стремиться занять стабильные резонансные орбиты.

Астрономы обратили внимание на эту особенность сразу после публикации первого крупного набора данных «Кеплера» в 2010 году. Обычно ученые предполагали, что такие экзопланеты находились в резонансе, но потом вышли из него вследствие внешнего воздействия. В качестве предлагаемых объяснений назывались влияние астероидов, давление при рассеянии газа протопланетного диска и вызываемые родительскими звездами приливы, но ни одно из них не стало общепринятым.

Сара Миллхолланд (Sarah Millholland) и Грег Лафлин (Greg Laughlin) из Йельского университета предложили принципиально новое объяснение. На этот раз ученые описали выход из резонанса усилением влияния приливов при больших наклонах осей вращения. Наклон оси вращения является одним из важнейших параметров, определяющих климат. Земная ось наклонена примерно на 23,5 градуса, и именно это обстоятельство обеспечивает существование времен года, так как периодически изменяет угол падения солнечных лучей на поверхность. В Солнечной системе у большинства планет наклон оси не очень велик, лишь у Урана он составляет 97,77 градуса, его ось практически лежит в плоскости орбиты (он вращается «на боку»). Однако существующие методы наблюдения экзопланет не позволяют определять наклоны их осей, из-за чего данное свойство движения зачастую не принималось во внимание.

Наклоны осей на коротких промежутках времени остаются стабильными, но подвержены долговременным колебаниям. В частности, наклон земной оси меняется в пределах от 22,1 до 24,5 градусов с периодом около 41 тысячи лет, а само направление оси относительно звезд прецессирует, то есть совершает один оборот примерно за 26 тысяч лет. В работе Миллхолланд и Лафлина показывается, что если период прецессии оси оказывается близок к периоду прецессии орбитальной плоскости, то они оказываются сцеплены и будут меняться согласованно. В таком случае на ранних этапах формирования системы, когда рассеивается последний газ протопланетного диска и планеты занимают стабильные орбиты, замедление эволюции траектории также замедляет прецессию тел, если их частоты в процессе формирования оказывались близки. В результате замедления прецессии угол наклона орбиты может значительно вырасти, вплоть до порядка 90 градусов.

Следующим эффектом оказывается значительное увеличение силы приливов для таких вращающихся «на боку» планет. Авторы приводят оценки, согласно которым в таком случае приливы начинают рассеивать примерно в 1–10 тысяч раз больше энергии в виде тепла. Так как эта энергия берется из движения планет, то их орбиты постепенно уходят из области резонансных значений параметров.

Многие экзопланеты с описываемыми особенностями обращаются весьма близко к родительским звездам. Предыдущие анализы показывали, что они должны находиться в приливном захвате, то есть к светилу должна быть обращена только одна сторона, подобно ситуации в системе Земля—Луна. Однако такое релизуемо только при небольших углах наклона осей вращения. Новая работа предполагает, что это условие не выполнено, что делает приливный захват невозможным. Соответственно полностью меняются условия на подобных телах, в частности характер распределения температуры по поверхности. Авторы пишут, что будущие наблюдения при помощи телескопа «Джеймс Уэбб» должны позволить напрямую измерить разницу температур на дневной и ночной сторонах планет, тем самым подтвердив или опровергнув теорию ученых.

О других примерах сложного поведения орбитальных параметров планет мы недавно писали в контексте определения траекторий тел в далеком прошлом Солнечной системы.

Тимур Кешелава