"ПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ ЗВЕЗД" - читать интересную книгу автора (Ксанфомалити Леонид Васильевич)

ТРАНЗИТЫ

Если наблюдатель случайно окажется примерно в плоскости кеплеровской орбиты, масса планеты будет определена точно, так как синус угла становится равен единице. В этом случае можно также наблюдать прохождения по диску звезды планеты (ее транзиты). Конечно, различить черный кружок на точечном диске звезды нельзя, но небольшое уменьшение потока света от звезды измерить можно. В работах 1985 года, опубликованных накануне открытия первого короткопериодического "горячего юпитера" (51Peg b), указывалось, что перспективы обнаружить гипотетические внесолнечные планеты по их транзитам сомнительны. Авторы исходили из того, что не только вероятность благоприятного для наблюдения транзитов положения плоскости орбиты низка (скажем, для пары Солнце – Юпитер вероятность равна 0,0006), но и само явление происходит исключительно редко (например, исходя из периода обращения Юпитера в Солнечной системе, 1 раз в 12 лет). О существовании низкоорбитальных "горячих юпитеров" никто не подозревал, а у них вероятность оказаться в плоскости наблюдения транзитов гораздо выше, вплоть до 0,06 и даже до 0,20. Для системы звезды HD 209458, первой, транзиты которой были обнаружены, вероятность их наблюдения составила 0,17. Транзиты стали новым мощным инструментом астрофизики, позволяющим исследовать не только экзопланету, но и саму родительскую звезду.

Впервые транзиты планеты HD 209458 b наблюдали две группы исследователей из США, Д. Шарбоне и Дж. Хенри в 2000 году, практически одновременно наземными и космическими средствами. Прохождение планеты по диску звезды длится несколько часов. Открытие транзитов HD 209458 b стимулировало активные поиски других аналогичных объектов. В последующие годы по программе OGLE нашли до пяти очень далеких объектов. Но в течение четырех-пяти лет после открытия система HD 209458 оставалась единственной относительно близкой системой такого рода, несмотря на тщательные поиски других объектов. В какой-то мере происходило это из-за переоценки ожидаемого эффекта: предполагалось найти объекты примерно с такой же глубиной ослабления света при транзитах, как у звезды HD 209458 (около 1,6%), что, возможно, оказалось просто удачей наблюдателей. Следующий объект имел глубину ослабления только 0,3%. Зато найденная в 2005-2006 годах система HD 189733 b имеет рекордное трехпроцентное ослабление света при транзитах.

Только с помощью транзитов удается исследовать ряд важных характеристик экзопланет, прежде всего, измерить их радиусы и исследовать свойства их атмосфер. Хотя надежды найти другой относительно близкий объект с транзитами долго не оправдывались, был обнаружен ряд эффектов, проявление которых подобно ложным транзитам. За планетные транзиты исследователи могут принять, например, устойчивые пятна на звезде или так называемые затменные двойные звезды. Когда наблюдатели снизили ожидаемый эффект ослабления света звезды при прохождении планеты по диску звезды почти на порядок, до 0,2-0,3%, были обнаружены еще две экзопланеты с транзитами, HD 149026 b и TrES-1. Они в 2004-2005 годах пополнили список транзитов, в котором до того был только "горячий юпитер" HD 209458 b. Естественно, транзиты наблюдаются только у "горячих юпитеров". Вероятность найти планету с транзитами на высокой орбите очень мала.

Свойства системы HD 209458, несмотря на ее умеренную удаленность, оказались весьма удобными для исследований. Из результатов наблюдений объекта HD 209458 b можно сделать важные выводы не только относительно его природы, но и о природе других аналогичных гигантов. HD 209458 – звезда класса G0 с достаточно спокойной фотосферой, допускающей МЛС-измерения вплоть до 3 м/с, старше Солнца по возрасту (5,2 гигагода), со старой планетной системой, прошедшей долгий путь эволюции. Хотя ныне в ней известна только одна планета, но это именно тот наиболее интересный объект нового типа – "горячий юпитер", типичный для внесолнечных систем, но неизвестный в Солнечной системе. Период HD 209458 b, благодаря высокой частоте транзитов, определен с высокой точностью – 3,524738 суток. Радиус кеплеровской орбиты планеты составляет 0,045 а. е. Глубина ослабления света звезды при транзитах достигает 1,6%. По длительности транзита удается легко найти даже широту прохождения планеты по диску звезды. Среди окружающих Солнце звезд она представляет собой достаточно далекий объект – 47 пк (150 световых лет).

Звезды, имеющие планеты типа "горячий юпитер", составляют незначительную часть всего звездного "населения" – только 0,0075. Учитывая также произвольное положение плоскости их орбит, вероятность встретить среди звезд солнечного типа объект с наблюдаемыми транзитами еще меньше и не превышает 1/1300. На рисунке внизу показана зависимость масса-радиус для экзопланеты HD 209458 b, Юпитера и Сатурна. Положение HD 209458 b сразу указывает на водород как основную составляющую этого небесного тела (возможно, с небольшой долей гелия). Температура внешних оболочек "горячих юпитеров", в зависимости от орбиты и свойств атмосферы, лежит в пределах 900-1300 К. Облачный слой в такой атмосфере должен состоять из мельчайших зерен MgSiO₃, Fe и Al₂O₃, причем в надоблачной атмосфере должны присутствовать пары воды, метана и окиси титана.

Планета-гигант HD 209458 b (как и другие тела этого типа) должна иметь сильное магнитное поле сложной структуры, с напряженностью того же порядка, что и поле Юпитера. В определенных обстоятельствах признаки присутствия сильной дипольной составляющей магнитного поля можно использовать для поиска экзопланет.

По-видимому, существует несколько типов "горячих юпитеров". Найденная в 2006 году экзопланета с транзитами HD 149026 b представляет собой новый класс внесолнечных планет. Малое ослабление света звезды HD 149026 сразу же указало на относительно небольшой радиус планеты. Но это противоречило ее достаточно большой массе. Радиус HD 149026 b составляет 0,85 радиуса Сатурна, или 0,725 Юпитера. По своему положению планета соответствует "горячим юпитерам", но обладает массивным ядром из тяжелых элементов, до 0,7 всей ее массы, которая достигает 1,2 массы Сатурна (115 масс Земли). Угол i = 85^о между осью орбиты и направлением на Землю оценили по данным о длительности транзитов, поэтому в эксперименте найдена практически полная масса экзопланеты. Ее период ("год") составляет 2,8766 суток, радиус орбиты всего в шесть раз больше радиуса самой звезды.

Модели, опирающиеся на данные о массе и радиусе, указывают на гигантское, по сравнению с Юпитером, ядро HD 149026 b из плотных составляющих, с массой около 67 масс Земли, со средней плотностью ядра около 5,5 г/см³. Столь парадоксальный вывод трудно объяснить в рамках теорий образования планет. Чтобы объяснить образование HD 149026 b, привлекаются аналогии с Нептуном, происхождение которого также во многом неясно.

Обнаружены несколько низкоорбитальных планет, которые получили временное название "очень горячий юпитер". OGLE TR-56, самый короткопериодический "горячий юпитер" из всех известных, с периодом 1,2 суток, также был найден в ходе эксперимента OGLE III. Немногочисленные измерения показывают, что масса планеты М = 1,45 M_ю, а большая полуось орбиты 0,0225 а. е., то есть только 3,3 млн км, или 0,02 а. е. Родительская звезда (которая относится к солнечному типу) видна с такого расстояния под углом 24^о, в 50 раз больше Солнца.

К типу "очень горячих юпитеров" с наблюдаемыми транзитами относится и одна из последних открытых экзопланет, HD 189733 b. Ее период всего 2,219 суток, а радиус орбиты составляет 0,0313 а. е. Глубина ослабления потока от звезды при транзитах планеты рекордная, 3%. Звезда HD 189733 находится гораздо ближе к Земле, чем HD 209458, – на расстоянии 19,3 пк.

Первые наблюдения транзитов планеты HD 209458 b, выполненные в 2000 году наземными средствами (а) и с орбитальной обсерватории HST (б).

Сравнение плотности планеты HD 209458 b, Юпитера и Сатурна.