Исследование вращений экзопланет подтверждает давно существующую теорию

Фото из открытых источников

Уже некоторое время астрономы выдвигают теорию о связи между массой планет и их вращением. В Солнечной системе Юпитер и Сатурн вращаются быстро, совершая полный оборот примерно за десять часов, и при этом потребляют значительную часть вращательной энергии Солнечной системы. Используя обсерваторию им. Уильяма Кека на Мауна-Кеа, Гавайи, группа астрономов проверила эту предсказанную взаимосвязь, изучив 32 газовых гиганта и коричневых карлика в далёких звёздных системах — 6 гигантских планет, больших, чем Юпитер, и 25 коричневых карликов-компаньонов.

Полученные с помощью прибора Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) спектроскопические данные высокого разрешения показали, что газовые гигантские планеты вращаются быстрее, чем их более массивные аналоги, если учитывать массу, размер и возраст. Они также использовали исторические данные о компаньонах с измерениями вращения, чтобы создать тщательно отобранную выборку из 43 звездных/субзвездных компаньонов и гигантских планет, а также 54 свободно плавающих коричневых карликов и объектов планетной массы.

Исследователей возглавляли сотрудники Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA) Северо-Западного университета. В состав группы входили ученые из Центра астрофизики и космических наук (CASS) Калифорнийского университета в Сан-Диего, Отдела геологических и планетарных наук (GPS) Калифорнийского технологического института, обсерватории им. У.М. Кека, обсерватории Стюарда, Колледжа оптических наук им. Джеймса К. Уайанта, Лаборатории реактивного движения НАСА и ряда других университетов. Исследование, описывающее их результаты, опубликовано в журнале The Astronomical Journal.

Многие из планет, наблюдавшихся в этом исследовании, вращаются вокруг своих звезд на расстоянии от десятков до сотен астрономических единиц (а.е.), то есть на расстоянии между Землей и Солнцем. Астрономы до сих пор спорят о том, как формируются такие далекие миры: происходит ли это постепенно в околозвездном диске или в результате гравитационного коллапса, подобного тому, который происходит со звездами. Для исследования команда использовала телескоп KPIC, чтобы выделить свет от этих вращающихся планет, что расширяет спектр атмосферных явлений.

Анализируя эти характеристики, ученые могут определить скорость вращения планеты. Об этом заявил ведущий автор исследования Дино Чи-Чун Сюй, научный сотрудник CIERA в Северо-Западном университете, в пресс-релизе обсерватории WM Keck: «Вращение — это своего рода летопись процесса формирования планеты. Измеряя скорость вращения этих миров, мы можем начать восстанавливать физические процессы, которые сформировали их десятки и сотни миллионов лет назад. С помощью KPIC мы можем обнаруживать эти крошечные сигналы, которые показывают вращение планеты вокруг других близлежащих звезд. Наши результаты показывают, что как масса планеты, так и соотношение между массой планеты и массой ее звезды влияют на скорость вращения планеты. Это помогает нам сузить круг физических процессов формирования этих систем».

Эта сложная взаимосвязь иллюстрируется, в частности, одной планетой и одним коричневым карликом. В системе HR 8799 находится газовый гигант, масса которого примерно в 7 раз превышает массу Юпитера, и который вращается в шесть раз быстрее, чем его компаньон — коричневый карлик в той же системе, масса которого в 24 раза превышает массу Юпитера. Это можно объяснить взаимодействием магнитного поля планеты на ранней стадии её развития с околопланетным диском, которое привело к снижению скорости вращения.

«По сути, вращение более массивного компаньона замедлилось из-за гораздо более сильного магнитного поля. Понимание этой взаимосвязи между размером, массой и вращением также помогает ученым узнать больше об истории нашей Солнечной системы», — сказал Сюй.

Распределение углового момента между планетами влияет на общую архитектуру планетной системы. Даже вращение Земли и её магнитное поле в конечном итоге связаны с тем, как этот баланс вращения был распределен при формировании Солнечной системы. KPIC — первый в своем роде инструмент, открывающий совершенно новый способ изучения экзопланет. Он позволил нам измерить такие свойства, как вращение, которые ранее было практически невозможно обнаружить.

Исследовательская группа планирует расширить свои исследования, изучив вращение свободно плавающих планет (СПП), также известных как «планеты-изгои». Они также надеются исследовать состав атмосфер этих планет. В этом им будет способствовать аппаратура нового поколения, такая как будущий HISPEC (инфракрасный спектрограф высокого разрешения для характеристики экзопланет) обсерватории Кека, который начнет работу в 2027 году. Как объяснил Сюй, HISPEC позволит проводить эти измерения на еще меньших и более удаленных мирах.

«Мы учли опыт, полученный при работе с KPIC, и внедрили его в HISPEC, который будет обладать лучшей чувствительностью, более высоким спектральным разрешением и более широким диапазоном длин волн. С помощью HISPEC мы сможем значительно увеличить количество планет, для которых мы сможем измерить вращение, и, в частности, мы сможем изучать планеты, расположенные ближе к нашему Юпитеру, чтобы определить, является ли наш Юпитер типичным представителем этого планеты», - сказал соавтор исследования Джейсон Ванг из Западного университета.

«Мы только начинаем изучать, что может рассказать нам вращение планет», — сказал Сюй. «С помощью будущих инструментов и более крупных телескопов мы сможем измерить вращение еще большего числа миров и связать вращение, химический состав и историю формирования целых планетных систем».