С ног на голову относительно привычной астрофизики перевернуто там всё. Гигантская планета вращается вокруг красного карлика всего в 4 раза больше нее по невероятно близкой орбите – с годом, длящимся 1,6 дня. Однако не падает на свою звезду. Это кажется невозможным – вот всё, что могут сказать по этому поводу астрономы.
Дуэт экзопланеты размером с Юпитер и красного карлика, удаленный примерно на 285 световых лет, озадачивает астрономов. Потому что планета слишком велика для своей звезды – в протопланетном диске вокруг карликовой звезды TOI-5205, масса которой составляет всего 0,39 массы Солнца, не хватило бы сырья для такого газового гиганта. Следовательно, согласно современным моделям формирования планет, планета вообще не должна существовать. Почему он до сих пор существует, непонятно.
Планеты формируются в том же облаке пыли и газа, в котором формируются их родительские звезды. Таким образом, количество материала в этом диске определяет, сколько сырья доступно для звезды и ее компаньонов. Если может образоваться массивная звезда, обычно остается достаточно материала для крупных газовых гигантов. Красные карлики, с другой стороны, обычно формируются в первичных облаках малой массы, исходного материала которых достаточно только для скалистых планет. Типичными примерами этого являются планеты вокруг нашей соседней звезды Проксима Центавра или «семь карликов» вокруг TRAPPIST-1.
Даже с более крупными красными карликами, масса которых составляет половину массы Солнца, газовые гиганты очень маловероятны; до сих пор было обнаружено и более подробно описано только около десяти экземпляров. Тем не менее, большие газовые планеты считаются почти невозможными для еще меньших карликовых звезд: «Законы масштабирования для протопланетных дисков и планетарной миграции не могут воспроизвести существование газовых гигантов для звезд с массой менее 0,5 солнечной», объясняет Шабхам Канодиа из Пенсильванского государственного университета.
Открытие такой «невозможной» планеты тем более удивительно. Для своего исследования Канодиа и его коллеги использовали несколько телескопов для наблюдения за красным карликом TOI-5205, который находится на расстоянии около 285 световых лет. Космический телескоп НАСА TESS уже показал затенение кривой блеска этой звезды, которая весит всего около 0,39 массы Солнца, что указывало на наличие экзопланеты.
Астрономы теперь более тщательно исследовали, что это за планета, с помощью дальнейших наблюдений за транзитом и измерениями лучевой скорости. С помощью этого метода гравитационное влияние планеты выявляется по легкому «колебанию» ее звезды, которое можно увидеть в световом спектре. В то время как транзит показывает размер планеты, лучевая скорость показывает массу планеты.
Наблюдения показали: вокруг красного карлика TOI-5205 вращается планета такая же большая и тяжелая, как Юпитер, – это явно газовый гигант. «Это довольно удивительно, потому что сама центральная звезда всего в четыре раза больше Юпитера. Но каким-то образом ему удалось сформировать планету размером с Юпитер!», говорит Канодиа. При прохождении планета закрывает семь процентов площади своей звезды – больше, чем почти все другие известные экзопланеты.
Планета TOI-5205b является первым подтвержденным прохождением внесолнечного Юпитера вокруг такой маломассивной звезды. «TOI-5205b также имеет одну из самых высоких массовых долей среди всех известных карликовых систем M», сообщают астрономы. Мало того, что относительно большая масса экзопланеты необычна, она также вращается ближе к своей звезде, чем обычно для газовых гигантов вокруг карликовых звезд. Для одного витка требуется всего 1,6 дня.
«Таким образом, существование TOI-5205b доводит наши представления о формировании планет и протопланетных дисков до предела», говорит Канодиа. «Потому что, согласно текущим моделям формирования планет, TOI-5205b не должна существовать – это "запрещенная"» планета».
«Если вначале не хватает твердого материала для образования ядра, то протопланета не сможет привлечь достаточно газа, чтобы стать газовым гигантом», объясняют исследователи. По их расчетам, готовый газовый гигант TOI-5205b даже должен был бы содержать около 60 земных масс элементов тяжелее водорода и гелия, да и этого бы не хватило.
Но есть и вторая проблема: планеты растут медленнее в маломассивных протопланетных дисках вокруг красных карликов, чем в более плотных материях вокруг более крупных звезд. В то же время, однако, облако пыли и газа вокруг молодых звезд рассеивается всего через несколько миллионов лет. Это означает, что планетарное ядро вокруг красного карлика на самом деле имеет слишком мало времени, чтобы сначала накопить достаточную массу, а затем сформировать свою газовую оболочку – газ был бы сдут задолго до того, как оно было бы готово.
Возможной альтернативой было бы «коллапсное рождение» планеты: согласно моделям, крупные газовые гиганты также могут образовываться подобно звездам. В этом сценарии часть первичного облака схлопывается под действием собственной силы тяжести из-за локального сжатия. «При продолжительности всего около 1000 лет эта нестабильность диска считается более быстрой альтернативой медленной аккреции», объясняют Канодиа и его коллеги.
Однако есть загвоздка: эта форма быстрого формирования планет возможна только во внешней области протопланетных дисков. Потому что только далеко от звезды газы достаточно холодны, чтобы сконденсироваться в твердое вещество при коллапсе. Так что и этот сценарий кажется не подходящим для TOI-5205 и его планеты: протопланетный диск красного карлика, вероятно, был слишком маленьким и маломассивным, а газовый гигант TOI-5205b вращается очень близко к своей звезде.
Это необычное сочетание карликовой звезды и планеты-гиганта нельзя объяснить обычными сценариями формирования планет. «Но мы знаем, что TOI-5205b существует», говорит Канодиа. «Поэтому должен быть пробел в нашем понимании формирования планет, протоплантарных дисков или внутренней части планеты – возможно, даже всех трех сферах».
