Вчені виявили найпухкішу планету біля червоного карлика

Газову гігантську екзопланету з найнижчою щільністю було виявлено на орбіті навколо холодної червоної карликової зірки за допомогою набору інструментів, у тому числі фінансованого НАСА інструмента радіально-швидкого вимірювання NEID на 3,5-метровому телескопі WIYN у Національній обсерваторії Кітт-Пік, Програма NOIRLab NSF. Планета, названа TOI-3757 b, є найпухкішим газовим гігантом, коли-небудь виявленим навколо зірок такого типу.

Астрономи за допомогою 3,5-метрового телескопа WIYN Національної обсерваторії Кітт-Пік в Арізоні спостерігали незвичайну планету, схожу на Юпітер, на орбіті навколо холодної червоної карликової зірки. Розташована на відстані приблизно 580 світлових років від Землі в сузір’ї Візничого, ця планета, ідентифікована як TOI-3757 b , є планетою з найнижчою щільністю, і, за оцінками, має середню щільність, подібну до зефіру.

Червоні карлики

Червоні карликові зірки є найменшими та найтьмянішими членами так званих зірок головної послідовності — зірок, які перетворюють водень на гелій у своїх ядрах із постійною швидкістю. Незважаючи на те, що червоні карликові зірки «круті» порівняно з такими зірками, як наше Сонце, вони можуть бути надзвичайно активними та вибухати потужними спалахами, здатними позбавити планету її атмосфери, роблячи цю зоряну систему, здавалося б, непривітним місцем для утворення такої павутинної планети.

«Традиційно вважалося, що гігантські планети навколо червоних карликових зірок важко утворити, — каже Шубхам Канодія, дослідник Лабораторії Землі та планет Інституту Карнегі та перший автор статті, опублікованої в The Astronomical Journal. – Поки що це розглядалося лише з невеликими зразками доплерівських досліджень, які зазвичай виявляли гігантські планети далі від цих червоних карликів. Досі у нас не було достатньо великої вибірки планет, щоб знайти близькі газові планети надійним способом”.

Наднизька щільність газового гіганта

Навколо TOI-3757 b досі існують нез’ясовані таємниці, головна з яких полягає в тому, як навколо червоної карликової зірки може утворитися газова гігантська планета, особливо планета з такою низькою щільністю. Однак команда Канодії вважає, що вони можуть розгадати цю таємницю.

Вони припускають, що наднизька щільність TOI-3757 b може бути результатом двох факторів. Перший стосується кам’янистого ядра планети. Вважається, що газові гіганти починаються як масивні скелясті ядра, які приблизно в десять разів перевищують масу Землі, після чого вони швидко втягують велику кількість сусіднього газу, утворюючи газові гіганти, яких ми бачимо сьогодні. Зірка TOI-3757b має менший вміст важких елементів порівняно з іншими M-карликами з газовими гігантами, і це могло призвести до повільнішого формування кам’янистого ядра, затримуючи початок накопичення газу та, отже, впливаючи на загальну щільність планети.

Другим фактором може бути орбіта планети, яка попередньо вважається злегка еліптичною. Іноді вона наближається до своєї зірки ближче, ніж в інший час, що призводить до значного надлишкового нагрівання, яке може спричинити роздуття атмосфери планети.

Відкриття TOI-3757 b

Планету спочатку помітив супутник NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite ( TESS ). Потім команда Канодії провела подальші спостереження за допомогою наземних інструментів, включаючи:

• NEID і NESSI (NN-EXPLORE Exoplanet Stellar Speckle Imager), обидва розміщені на 3,5-метровому телескопі WIYN;
• шукач планет придатної для життя зони ( HPF ) на телескопі Хоббі-Еберлі ;
• Обсерваторія Ред Баттс ( RBO ) у Вайомінгу.

TESS досліджував перетин цієї планети TOI-3757 b перед її зіркою, що дозволило астрономам підрахувати діаметр планети приблизно в 150 000 кілометрів або трохи більший за діаметр Юпітера. Планета робить один повний оберт навколо своєї головної зірки всього за 3,5 дня, що в 25 разів менше, ніж найближча планета нашої Сонячної системи — Меркурій — якому для цього потрібно близько 88 днів.

Потім астрономи використовували NEID і HPF для вимірювання видимого руху зірки вздовж лінії зору, також відомого як її радіальна швидкість. Ці вимірювання показали масу планети, яка, за підрахунками, дорівнює приблизно чверті маси Юпітера, або приблизно в 85 разів перевищує масу Землі.

Щільність зефіру

Знання розміру та маси дозволило команді Канодії розрахувати середню щільність TOI-3757 b як 0,27 грама на кубічний сантиметр, що зробить її меншою, ніж половина щільності Сатурна, планети з найменшою щільністю у Сонячній системі. Також це складає приблизно чверть щільності води  або фактично подібний за щільністю до зефіру.

«Потенційні майбутні спостереження атмосфери цієї планети за допомогою нового космічного телескопа Джеймса Вебба НАСА можуть допомогти пролити світло на її пухку природу», — каже Джессіка Ліббі-Робертс, докторант з Університету штату Пенсільванія та друга авторка цієї статті.

«Знайти більше таких систем із гігантськими планетами, які раніше вважалися надзвичайно рідкісними навколо червоних карликів, є частиною нашої мети зрозуміти, як формуються планети», — додає Канодія.

Відкриття підкреслює важливість NEID у його здатності підтверджувати деякі екзопланети-кандидати, які зараз відкриває місія NASA TESS, забезпечуючи важливі цілі для нового космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), щоб слідкувати за ними та почати характеризувати їхні атмосфери. Це, у свою чергу, повідомить астрономам, з чого складаються планети і як вони утворилися, а для потенційно придатних для життя скелястих світів — чи можуть вони підтримувати життя.