Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Обычное ли это явление — планеты на циркумбинарных орбитах? Или Кеплер-16 b — редкое исключение? В момент ее обнаружения более правдоподобным казалось второе.

На протопланетные диски вокруг одной звезды действует одна сила притяжения, а на диски, окружающие двойную звездную систему, — две. Увлекаемые вперед с удвоенным усилием, планетезимали в них разгоняются и сталкиваются на скоростях, исключающих возможность образования новых миров. К тому же, если в процессе формирования или миграции планета оказывается слишком близко к звездной паре, амплитуда колебаний гравитационных сил звезд при их движении вокруг общего центра будет настолько большой, что планета вряд ли сможет удерживаться на стабильной орбите. В итоге она либо угодит в одну из звезд, либо будет навсегда выброшена за пределы системы.

Кажется подозрительным, что Кеплер-16 b находится как раз у этого рубежа стабильности. Разница в размерах звезд системы Кеплер-16 очень велика, из-за чего более массивная звезда располагается вблизи общего центра массы. То есть самое массивное тело в системе «едва шевелится», пока его компаньон и планета движутся по своим орбитам, а значит, действующая на Кеплер-16 b сила гравитационного притяжения практически не меняется. Это может быть одним из факторов, позволивших циркумбинарной планете избежать печальной участи большинства ее родственниц.

Сложные условия формирования — не единственная проблема таких планет. К ним добавляется трудность их обнаружения. Для затменных двойных звезд и так характерно периодическое ослабление блеска, которое куда более выражено, чем то, которое вызывает проходящая планета. Еще одна проблема — пятна на звездах, влияние которых на яркость двойной звезды похоже на влияние проходящей по ее диску планеты.

Из-за неодинаковых интервалов между прохождениями циркумбинарных планет подтвердить, что источником падения яркости является обращающаяся вокруг звезды планета, также совсем не просто. При движении вокруг одиночной звезды время прохождения планеты можно рассчитать с такой высокой точностью, что отклонения от него могут использоваться при поиске скрытых планет. Однако прохождение планеты, обращающейся вокруг двойной звезды, — это прохождение по диску движущегося объекта. Поскольку и планета, и звездная пара находятся в движении, прохождения носят нерегулярный характер. Третье прохождение Кеплер-16 b по диску более яркой из двух звезд произошло на 8,8 суток раньше, чем прогнозировалось исходя из временного промежутка между первыми двумя прохождениями. Эта разница огромна, особенно в сравнении с отклонениями времени прохождения, вызываемыми ее собратьями в планетных системах, которые обычно измеряются в минутах и никогда не превышают нескольких часов.

Наконец, планета может никогда больше не пройти по дискам звезд. Из-за изменения гравитационного воздействия вращающихся солнц планета завершает движение по орбите не совсем там, где она его начинает. Она испытывает прецессию, которая постепенно приводит к изменению ее траектории движения. В конечном итоге это может привести к тому, что мы больше не сможем наблюдать прохождение планеты по дискам звезд. Согласно моделям долгосрочной эволюции Кеплер-16 b, прохождения планеты по диску большей из двух звезд прекратятся в начале 2018 г. и возобновятся около 2042 г. Последнее ее прохождение по диску меньшей звезды состоялось в мае 2014 г. До следующего, согласно расчетам, осталось 35 лет.

Несмотря на многочисленные препятствия, астрономы продолжали поиски. И дело было не только в желании найти прообраз вымышленной планеты с двумя солнцами. Возможность объединить результаты наблюдения за прохождениями с результатами наблюдения затмений в двойных системах позволяет определить характеристики планеты с исключительной степенью точности. Например, массу и радиус Кеплер-16 b удалось рассчитать с удивительно маленькими погрешностями — 4,8% и 0,34% соответственно. Шанс заполучить столь точные данные оправдывал усилия по поиску миров, обращающихся вокруг двойных звезд.

Новые открытия не заставили себя ждать. В поисках признаков проходящих планет с помощью телескопа «Кеплер» были обследованы 750 затменных двойных звезд с короткими орбитами с периодом менее одного земного года. Завершились они успехом: всего через 4 месяца после известия о существовании Кеплер-16 b были открыты еще две планеты, обращающиеся вокруг двойных звезд.

Эти планеты, получившие обозначения Кеплер-34 b и Кеплер-35 b, были газовыми гигантами и имели массы, сопоставимые с массой Сатурна. Кеплер-34 b движется по орбите вокруг двух солнцеподобных звезд, собственный период обращения которых составляет 28 суток. Планета совершает полный оборот вокруг пары за 289 суток. Кеплер-35 b обращается вокруг двух звезд меньшего размера с массами, равными приблизительно 80–90% массы Солнца. Период обращения звездной пары составляет 21 сутки; период обращения планеты — 131 сутки.

Орбиты всех трех находок лежат практически в одной плоскости (с отклонением не более 2%) с орбитами двойных звезд. Это означает, что планеты сформировались в протопланетном диске, окружавшем оба компонента тесной звездной пары. Если бы они были захвачены, то их орбиты были бы наклонены под разными углами — как орбиты комет, обращающихся вокруг Солнца. В каждой из трех систем существует лишь одна планета. Таким образом, возможность существования планет, обращающихся вокруг двойных звезд, была доказана. Но могла ли вокруг двух солнц сформироваться полноценная планетная система?

Ответ был получен осенью того же года при наблюдении за Кеплер-47 — двойной звездой, состоящей из солнцеподобного светила и его втрое меньшего и на 99% более тусклого компаньона. Две звезды образуют тесную пару с периодом обращения 7,45 суток и расстоянием между компонентами всего 0,08 а.е. Сначала казалось, что других объектов рядом со звездами нет. Наблюдение за периодами обращения не выявило никаких признаков взаимодействия со скрытым объектом. Но при анализе блеска звезд были обнаружены следы присутствия другого тела. Более того, были обнаружены по крайней мере две планеты, проходившие по диску большей из двух звезд.

Из-за отсутствия измеримого влияния на движение компонентов двойной системы оценить массы планет не представлялось возможным. Само по себе это обстоятельство указывало на то, что планеты не являются массивными газовыми гигантами размером с Юпитер. В противном случае их гравитационное притяжение оказывало бы влияние на двойную звезду. Результаты измерения радиусов во время прохождений подтвердили эту догадку. Внутренняя планета была в три раза больше Земли и имела период обращения 50 суток. Внешняя планета была крупнее — чуть больше 4,5 радиуса Земли. Полный оборот вокруг звезд она совершала за 303 суток. Это газовые планеты, но не такие большие, как Юпитер.

Близость внутренней планеты к звездам означает, что, скорее всего, она является горячим мини-нептуном с массой, предположительно равной половине массы нашего Нептуна, и толстой атмосферой. Размер второй планеты оказался ближе к размеру Нептуна, а условия на ее поверхности — менее суровыми, чем на Нептуне. Ни с одной из этих планет, к сожалению, не получится понаблюдать за заходом солнц. Однако то, что их по крайней мере две, свидетельствует о возможности существования целых систем, состоящих из миров, похожих на Татуин.