Астрономы на основе данных, собранных при помощи Магеллановых телескопов, уточнили массу и размеры трех планет в системе звезды GJ 9827, что привело к открытию планеты, у которой самая большая плотность и масса из всех суперземель, известных на сегодняшний день. Результаты работы помогают понять связь массы планеты с ее структурой в диапазоне размеров от Земли до Нептуна и механизмы образования суперземель. Препринт опубликованна портале ArXiv.org, кратко о работе сообщается в пресс-релизе Института Карнеги.

В 2009 году начал свою работу самый результативный «охотник за экзопланетами» — орбитальный телескоп «Кеплер», специализирующийся на поиске других планетных систем. «Кеплер» помог установить, что наиболее распространенным типом экзопланет в Млечном Пути с орбитальными периодами ~100 дней являются суперземли, размеры которых находятся в диапазоне между Землей и Нептуном. Именно поэтому ученых интересует состав и механизм формирования суперземель, в том числе природа самых маленьких представителей этого класса (1-2 радиуса Земли), которые могут быть каменистыми, как планеты земной группы, или содержать большое количество газообразных веществ. Более ранние работы по анализу данных телескопа показали, что существует приблизительная граница в 1,6 радиуса Земли, ниже которой состав планет будет соответствовать первому сценарию, а выше — второму.

Эту границу в размерах суперземель объясняют фотоиспарением — энергетическое излучение ионизирует газ и заставляет его рассеиваться от источника ионизации. Предполагается, что суперземли формируются у снеговой линии, а фотоиспарение играет важную роль в процессе их формирования. Зародышем суперземли может быть ядро, с составом, близким к земному, окруженное газообразной oболочкой.

Группа астрономов во главе с Джоанной Теске (Johanna Teske) изучила три планеты, открытые «Кеплером» в системе оранжевого карликаGJ 9827, который расположен в 100 световых годах от Земли в созвездии Рыб. Чтобы понять структуру и состав экзопланет, ученым необходимо с большой точностью знать значения плотности планет, на основе которых строятся модели, описывающие их внутреннюю структуру и тип атмосферы. Для нахождения плотности необходимо знать размеры и массу планеты. Значения массы планет удалось определить во время наблюдательной кампании со спектрографом PFS (Planet Finding Spectrograph), установленном на 6,5-метровом Магеллановом телескопе II, при помощи метода радиальных скоростейи пакетов обработки данных SYSTEMIC и RADVEL, размер экзопланет оценивался на основе метода транзитной фотометрии во время транзита планет на фоне диска звезды.

Сравнение средних масс планет в системе GJ 9827 (квадратики) с другими небольшими экзопланетами (круги). Цветовая гамма заливки отвечает за поток излучения, приходящего на планету от звезды. Цветными линиями показаны различные варианты состава планет, от полностью железного тела до холодного газового гиганта из водорода и гелия. Два графика соответствуют результатам применения двух пакетов обработки данных.

Было определено, что массы планет GJ 9827b, GJ 9827c и GJ 9827d составляют 7,6, 2,65 и 4,67 масс Земли соответственно. Учитывая, что их радиусы примерно равны 1,64, 1,29 и 2,08 радиусам Земли, астрономы пришли к выводу, что экзопланета GJ 9827d может иметь обширную газообразную оболочку с высоким относительным содержанием водяного пара, водорода и гелия. Тот факт, что планета получает в 30 раз меньше излучения от звезды, чем в случае нашей Земли, позволяет утверждать, что оболочка планеты мало подвержена фотоиспарению. Экзопланета GJ 9827c может содержать до 50 процентов железа и до 50 процентов воды по массе, а экзопланета GJ 9827b оказалась самой массивной и плотной, содержащей более 50 процентов железа по массе.

Однако, прежде чем объявлять GJ 9827b самой «экстремальной» суперземлей, стоит отметить несколько моментов. Во-первых, мы можем недооценивать астрофизический разброс в размерах и массах суперземель, так как за нижнюю границу переходной зоны берутся планеты Солнечной Системы. Во-вторых, гораздо сложнее получить статистически значимые ограничения на массу планеты с параметрами (2 MЗемли, 1,6 RЗемли ), чем для планеты с параметрами (8 MЗемли, 1,6 RЗемли ), что также влияет на верную оценку разброса параметров суперземель. В-третьих, все еще существует вопрос о том, насколько значение массы планеты зависит от деталей наблюдений и методики их анализа. Тем не менее, GJ 9827b является очень интересным объектом с точки зрения происхождения, возможно она образовалась в результате столкновения нескольких тел. Дальнейшие наблюдения должны дополнительно уточнить массы планет и помочь понять их структуры.

Ранее мы рассказывали о том, как астрономам удалось при помощи гравитационного микролинзирования обнаружить признаки существования сразу нескольких тысяч межзвездных экзопланет за пределами Млечного Пути, какая существует связь между химическим составом звезды и окружающими ее планетами и как один «горячий Юпитер» поставил под сомнение современные теории возникновения планет.