За последние полтора десятилетия были обнаружены сотни внесолнечных планет, большинство из которых представляют собой уединенные миры, вращающиеся вокруг своей родительской звезды в кажущейся изоляции. Однако при дальнейшем наблюдении было обнаружено, что каждая третья из этих систем имеет две или более планет. Планеты, оказывается, собираются в группы. Большинство этих систем содержат планеты, которые вращаются слишком далеко друг от друга, чтобы ощущать гравитацию друг друга. Всего в нескольких случаях планеты были обнаружены достаточно близко друг к другу, чтобы взаимодействовать гравитационно.
Теперь, однако, Джон А. Джонсон, доцент астрономии в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт), и его коллеги обнаружили две системы с парами планет-гигантов, запертых в орбитальном объятии.
В одной системе - паре планет, вращающихся вокруг массивной умирающей звезды HD 200964, расположенной примерно в 223 световых годах от Земли - интимный танец ближе и теснее, чем когда-либо прежде. «Эта новая пара планет пришла в неожиданной упаковке», - говорит Джонсон.
Добавляет Эрик Форд из Университета Флориды в Гейнсвилле: «Планетарная система с такими близко расположенными планетами-гигантами была бы быстро разрушена, если бы планеты не исполняли такой синхронный танец. Это делает настоящей загадкой, как планеты могли бы найти свой ритм."
Статья Джонсона, Форда и их сотрудников, описывающая планеты и их интригующую орбитальную динамику, была принята к публикации в Astronomical Journal.
Все четыре недавно обнаруженные экзопланеты являются газовыми гигантами, более массивными, чем Юпитер, и, как и большинство экзопланет, были обнаружены путем измерения колебания или доплеровского сдвига в свете, излучаемом их родительскими звездами, когда планеты вращаются вокруг них. Удивительно, однако, что члены каждой пары расположены удивительно близко друг к другу.
Например, расстояние между планетами, вращающимися вокруг HD 200964, иногда составляет всего 0,35 астрономических единицы (а.е.) - примерно 33 миллиона миль - сравнимо с расстоянием между Землей и Марсом. Планеты, вращающиеся вокруг второй звезды, 24 Sextanis (расположенной в 244 световых годах от Земли), находятся на расстоянии 0,75 а.е., или около 70 миллионов миль. Для сравнения, расстояние между Юпитером и Сатурном не меньше 330 миллионов миль.
Из-за своих больших масс и непосредственной близости пары экзопланет оказывают сильное гравитационное воздействие друг на друга. Гравитационное притяжение между двумя планетами HD 200964, например, в 3 000 000 раз больше, чем сила тяготения между Землей и Марсом, в 700 раз больше, чем между Землей и Луной, и в 4 раза больше, чем притяжение нашей планеты. солнце на Земле.
В отличие от газовых гигантов в нашей Солнечной системе, новые планеты расположены сравнительно близко к своим звездам. Планеты, вращающиеся вокруг 24 Секстани, имеют период обращения 455 дней (1,25 года) и 910 дней (2,5 года), а спутники HD 200964 периоды 630 дней (1,75 года) и 830 дней (2,3 года). Юпитер, напротив, совершает один оборот вокруг Солнца за 12 земных лет.
Планеты часто перемещаются после своего формирования в процессе, известном как миграция. Считается, что миграция - обычное дело - в какой-то степени она происходила даже в нашей собственной Солнечной системе, - но она не является упорядоченной. Планеты, расположенные дальше в протопланетном диске, могут мигрировать быстрее, чем те, что ближе, «поэтому планеты будут пересекаться и толкать друг друга», - говорит Джонсон. «Единственный способ, которым они могут «поладить» и стать стабильными, - это войти в орбитальный резонанс».
Когда планеты заперты в орбитальном резонансе, их орбитальные периоды связаны отношением двух небольших целых чисел. В резонансе 2:1, например, внешняя планета будет вращаться вокруг своей родительской звезды один раз за каждые два оборота внутренней планеты; в резонансе 3:2 внешняя планета совершает два оборота за каждые три прохода внутренней планеты и так далее. Такие резонансы создаются гравитационным влиянием планет друг на друга.
«В протопланетном диске есть много мест, где могут образовываться планеты», - говорит Джонсон. «Однако очень маловероятно, что две планеты просто случайно образовались в местах, где их периоды находятся в одном из этих соотношений».
Резонанс 2:1, который имеет место для планет, вращающихся вокруг 24 Секстани, является наиболее стабильным и наиболее распространенным паттерном. «Планеты, как правило, застревают в соотношении 2:1. Это похоже на очень большую выбоину», - говорит Джонсон. «Но если планета движется очень быстро» - мчась от внешней части протопланетного диска, где она сформировалась, к своей родительской звезде, - «она может пройти более 2:1. Когда она приближается, следующий шаг это 5:3, затем 3:2, а затем 4:3."
Джонсон и его коллеги обнаружили, что пара планет, вращающихся вокруг HD 200964, находится именно в таком резонансе 4:3. «Ближайшая аналогия в нашей Солнечной системе - это Титан и Гиперион, два спутника Сатурна, которые также следуют по орбитам, синхронизированным по схеме 4:3», - говорит Форд.«Но планеты, вращающиеся вокруг HD 200964, взаимодействуют гораздо сильнее, поскольку каждая из них примерно в 20 000 раз массивнее Титана и Гипериона вместе взятых».
«Это самая плотная система из когда-либо обнаруженных, - добавляет Джонсон, - и мы затрудняемся объяснить, почему это произошло. это показывает, что экзопланеты постоянно обладают способностью удивлять нас. Каждый раз, когда мы думаем, что можем их объяснить, появляется что-то еще».
Джонсон и его коллеги нашли две системы, используя данные исследования планет Keck Subgiants Planet Survey - поиска планет вокруг звезд, размер которых от 40 до 100 процентов больше, чем наше собственное Солнце. Субгиганты представляют собой класс звезд, которые произошли от «главной последовательности» и у которых закончился водород для ядерного синтеза, что привело к коллапсу их ядра и вздутию внешней оболочки. Субгиганты в конечном итоге становятся красными гигантами - объемными звездами с большой, пухлой атмосферой, которая пульсирует, что затрудняет обнаружение тонких спектральных сдвигов, вызванных вращающимися вокруг планетами.
«Субгиганты вращаются очень медленно, и они крутые, - в отличие от быстро вращающихся горячих звезд главной последовательности, - но они недостаточно расширились, чтобы быть слишком пушистыми и слишком нервными», - говорит Джонсон. «Они звезды «Златовласки»: не слишком быстрые, не слишком горячие, не слишком пушистые, не слишком нервные» - и поэтому идеально подходят для охоты за планетами.
«Сейчас мы наблюдаем за 450 из этих массивных звезд и находим множество планет», - говорит он. «Вокруг этих звезд мы видим в три-четыре раза больше планет на расстоянии около 3 а.е. - расстоянии нашего пояса астероидов - чем вокруг звезд главной последовательности. потому что количество сырья, доступного для строительства планет, зависит от массы звезды».
В конце концов, возможно, через 10 или 100 миллионов лет, субгиганты, такие как HD 200964 и 24 Sextanis, станут красными гигантами. Они сбросят свои внешние атмосферы, раздувшись до такой степени, что смогут поглотить внутреннюю планету своей танцующей пары, и сбросят массу, изменив гравитационную динамику всей своей системы. «Затем планеты будут двигаться, и их орбиты станут нестабильными», - говорит Джонсон. "Скорее всего, одна из планет будет выброшена из системы полностью" - и танец закончится.