Теория образования планет не смогла объяснить гиганта на орбите у карлика

Астрономы открыли систему, в которой планета с массой примерно в половину Юпитера обращается на близкой орбите вокруг звезды, которая в восемь раз легче Солнца. Настолько большое отношение масс планеты и звезды с трудом объясняется современными теориями образования планет, пишут ученые в журнале Science.

На данный момент известно порядка четырех тысяч экзопланет, но из них всего около 10 процентов находятся в системах звезд-карликов класса M, чьи массы, как правило, не превышают 0,6 солнечной. При этом это наиболее распространенный тип звезд в нашей Галактике и, видимо, во Вселенной.

С одной стороны, небольшое число известных планет связано с эффектами наблюдательной селекции, то есть с трудностью наблюдений подобных звезд. С другой стороны, в их случае доминирующая сегодня модель планетообразования, теория внутренней аккреции (core accretion theory), предсказывает малое количество планет-гигантов, которых обнаружить легче.

В работе астрономов из Европы, Израиля, Чили и Мексики под руководством Хуана Карлоса Моралеса (Juan Carlos Morales) из Автономного университета Барселоны описан поиск планет в системе красного карлика GJ 3512. Эта звезда находится на расстоянии 9,5 парсека от Земли, ее масса составляет 0,123 массы Солнца, что делает ее похожей на ближайшую к Солнцу звезду Проксиму Центавра.

Авторам удалось однозначно определить наличие одной планеты и найти указания на возможное присутствие второй. Ближняя к ней планета GJ 3512 b делает один оборот вокруг светила за 214 дней по вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0,44, а ее масса не меньше 0,46 массы Юпитера. Период второй планеты GJ 3512 с должен составлять порядка 1400 дней, но ее другие параметры точно неизвестны.

Минимальное отношение масс в данном случае составляет 0,0034, что делает GJ 3512 b самой относительно массивной планетой, определенной любым методом, помимо микролинзирования. Вместе с тем события микролинзирования обычно не повторяются, а также характеризуются высокими ошибками, что ограничивает возможность анализировать их результаты.

Система GJ 3512 интересна во многих отношениях. Во-первых, масса планеты очень высока. Во-вторых, ее орбита сильно вытянута, а такое ожидается только в случае взаимодействий с другими планетами. Вторая планета, если и существует, то находится намного дальше от звезды, поэтому авторы предполагают, что изначально было три планеты, но одна из них была выброшена в результате взаимодействия с ближней, переместив ее на эксцентричную орбиту и образовав большой промежуток между оставшимися двумя.

Авторы попытались воспроизвести формирование подобной планетной системы в модели аккреции небольших каменных тел (pebble accretion models), но это им не удалось. Ученые связывают это с тем, что для формирования столь большой планеты необходимо предварительное образование ядра с массой по крайней мере в пять земных. В случае маломассивной звезды это крайне маловероятно, так как в таком случае планеты должны часто относительно быстро менять орбиты и мигрировать к внутренней границе протопланетного диска, где дальнейший рост затруднен. Предположения о необычно высокой массе диска или времени его жизни также не позволяют объяснить наблюдения в рамках этой модели.

Открытая планета также оказалась очень массивной по сравнению с протопланетным диском, масса которого должна находиться в диапазоне от 0,1 до 10 юпитерианских, что говорит об исключительно высокой эффективности образования планет. В связи с этим ученые обращаются к альтернативным моделям появления планеты из крупномасштабной гравитационной неустойчивости в диске на ранних стадиях существования системы. Исследователи отмечают, что это первый случай, когда удается найти подходящую для объяснения этой идеей планетную систему у маломассивной звезды.

Астрономы приводят оценки, согласно которым яркость планеты должна быть примерно в 10 миллионов раз меньше, чем у звезды. Это позволят надеяться на ее обнаружение методом прямого наблюдения в будущем.

Недавно астрономы впервые нашли «запрещенную» экзопланету из «пустыни Нептунов» и планету с долгой и эксцентричной орбитой. Также ранее ученые описали первый известный случай планеты в обитаемой зоне с водой в атмосфере и назвали 11 кандидатов в кварковые экзопланеты.