Молодые экзопланеты-гиганты не вписались в теоретические модели по скорости сжатия

Астрономы в ходе исследований свойств экзопланет в очень молодой системе V1298 Тельца определили, что некоторые планеты-гиганты способны сжиматься после своего рождения гораздо быстрее, чем это предсказывается теоретически. Они могут достичь параметров, сравнимых с более старыми экзопланетами в течение десятков, а не сотен миллионов лет после своего рождения. Статья опубликована в журнале Nature.

Современные теории эволюции планет предсказывают, что молодые планеты-гиганты после завершения процесса своего формирования начинают медленно сжиматься, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою среднюю плотность. Они достигают своих окончательных размеров лишь через несколько сотен миллионов лет. Эти теоретические выводы до сих пор остаются непроверенными, так как поиск и изучение очень молодых экзопланет — чрезвычайно сложные задачи из-за мощной активности их родительских звезд. Лишь недавно ученые стали получать необходимые данные, позволяющие наложить первичные ограничения на теоретические модели. 

Группа астрономов во главе с Алехандро Суаресом Маскареньо (Alejandro Suárez Mascareño) из Канарского института астрофизики опубликовала результаты исследований двух экзопланет в системе V1298 Тельца (V1298 Tau), полученных в 2019–2020 годах при помощи спектрографов HARPS-N, CARMENES, SES и HERMES, установленных на наземных телескопах. 

V1298 Тельца очень молода — ее возраст составляет всего 20 миллионов лет. Она состоит из звезды спектрального типа К1, с массой 1,17 массы Солнца, и четырех экзопланет, которые были открыты телескопом «Кеплер». Орбитальные периоды планет составляют от 8 до 140 дней, две из них размерами схожи с Нептуном, одна — с Сатурном, а еще одна — с Юпитером.

Ученые при помощи метода радиальных скоростей определили с большой точностью массы экзопланет V1298 Tau b и e, которые составили 0,64 и 1,16 массы Юпитера, соответственно. Их радиусы были оценены в 0,868 и 0,735 радиуса Юпитера, что при учете их орбит (периоды 24 и 40 дней) и эффективной температуры звезды (5050 кельвинов) позволяет отнести их к теплым юпитерам. Расчетные значения объемной плотности планет составили 1,2 и 3,6 грамма на кубический сантиметр. Для планет V1298 Tau c и d удалось получить верхние пределы по массе, которые составили 0,24 и 0,31 массы Юпитера, соответственно. Это дает верхние пределы для плотностей 3,5 и 2,4 грамма на кубический сантиметр.

Модели, где образование планеты-гиганта идет путем аккреции вещества из протопланетного диска на ядро, предсказывают, что планеты возрастом 20 миллионов лет будут находиться на ранних стадиях фазы сжатия, демонстрируя большие радиусы и низкую плотность. Однако экзопланеты V1298 Tau b и e плохо вписываются в эту картину, так как должны были достичь своих текущих параметров только через сотни миллионов лет после своего формирования.

Исследователи пришли к выводу, что существуют два объяснения. Возможно, что некоторые планеты-гиганты сжимаются относительно быстро и успевают достичь параметров, сравнимых с известным зрелым населением экзопланет, в течение первых 10–20 миллионов лет своей жизни. Альтернативная идея заключается в сильном (40–80 процентов по массе) обогащении экзопланет тяжелыми элементами по сравнению с планетами-гигантами Солнечной системы и известными экзопланетами, открытыми транзитным методом. 

Ранее мы рассказывали о том, как астрономы подтвердили столкновение двух экзопланет в молодой системе и как телескоп TESS открыл две новых юных экзопланетных системы.

Александр Войтюк