В нептунианской пустыне обнаружена скрытая планета с «кипящей» водой

Астрономы нашли планету, которую обычные методы поиска увидеть не могли: она никогда не проходит по диску своей звезды, а значит, не даёт классических «мини-затмений», по которым охотники за экзопланетами находят миры вдали от Солнечной системы. Вместо этого объект выдал себя отражённым светом — точнее, мельчайшими изменениями в блеске всей системы, которые он вызывает, обращаясь вокруг звезды. Кандидат в экзопланеты обнаружен у звезды KIC 9139163 в созвездии Лебедя, в регионе, который астрономы называют нептунианской пустыней.

Что такое нептунианская пустыня

Нептунианской пустыней называют области, где, по современным представлениям, почти невозможно найти планеты, похожие на наш Нептун: меньше Юпитера, но заметно крупнее Земли. Там такие миры либо крайне редки, либо вообще не должны формироваться. Тем интереснее находка: объект у KIC 9139163 — как раз такого «запретного» типа. Открытие сделала международная команда под руководством Национального института астрофизики (INAF). Статья уже доступна онлайн и готовится к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.

Звезда KIC 9139163 — пульсирующая, похожая на Солнце. Она расположена в созвездии Лебедя, и вокруг неё на очень тесной орбите обращается планета-кандидат. Полный оборот занимает всего 14 часов — это невероятно быстро. Масса объекта — примерно 7,3 массы Земли, радиус — в 2,4 раза больше земного. Планета находится так близко к звезде, что её орбита должна быть крайне нестабильной.

Почему планету не видели раньше

Главная причина, по которой этот мир оставался незамеченным, — наклон его орбиты. С нашей точки зрения планета не проходит между Землёй и диском своей звезды, то есть не является транзитной. Большинство экзопланет находят именно транзитным методом: регистрируют, как планета на несколько часов или минут слегка затмевает звезду. Здесь этого не происходит никогда. Поэтому исследователям пришлось применить другой подход — анализ кривых блеска, или фазовых кривых.

Идея в том, что планета, двигаясь по своей тесной орбите, поворачивается к телескопу то освещённой дневной стороной, то ночной. Из-за этого общая яркость системы KIC 9139163 периодически меняется на крошечную величину. Эти изменения крошечные, но измеримые. Именно их и зафиксировали учёные.

Силвен Н. Бретон (Sylvain N. Breton), исследователь INAF и первый автор работы, объясняет: «Подавляющее большинство планет во Вселенной никогда не проходит перед своей звездой с точки зрения Земли, оставаясь фактически невидимыми. Благодаря совокупности данных, полученных с помощью инструмента HARPS-N на Национальном телескопе Галилео, нам удалось преодолеть это препятствие, измерив с предельной точностью, как меняется отражённый планетой свет вдоль орбиты». По его словам, это позволило начать изучение структуры и атмосферы объекта, открыв окно в изучение популяций планет, которые до сих пор были почти недоступны.

Мир, наполовину состоящий из кипящей воды

Данные показали нечто ещё более любопытное. Плотность планеты согласуется с миром, который примерно на 50% состоит из «кипящей» воды. Вода в таком состоянии — не жидкая и не пар в привычном понимании, а, скорее всего, сверхкритическая жидкость или плотный горячий флюид, который при экстремальных температуре и давлении ведёт себя одновременно как жидкость и как газ. На такой тесной орбите температура должна быть чудовищной, поэтому «кипящая» характеристика — не метафора, а прямое следствие физических условий.

Но это ещё не всё. Из-за крайней близости к звезде планета испытывает чудовищные приливные силы. Они вызывают быструю и необратимую эволюцию орбиты. Судя по всему, объект обречён: рано или поздно приливные взаимодействия заставят его упасть на звезду и быть поглощённым ею. Это, кстати, типичная судьба планет, которые оказываются в нептунианской пустыне, — возможно, именно поэтому таких миров там так мало: они быстро погибают, и мы застаём лишь немногих, кто ещё не упал на светило.

Атмосфера, которая живёт и меняется

Самый интригующий результат получился при сравнении исторических данных космического телескопа Kepler с новыми наблюдениями TESS. Разница между ними — шесть лет. И за это время в модуляции отражённого света обнаружился сдвиг фаз. Проще говоря, картина того, как планета отражает свет, изменилась. Это не может быть случайностью: что-то в атмосфере планеты стало другим.

«Это указывает на живую и изменчивую атмосферу», — заключает Бретон. Пока рано говорить, что именно там происходит: возможно, меняется облачный покров, температура, состав или динамика ветров. Но сам факт, что атмосфера планеты заметно трансформируется за шесть лет, — редкость и большая удача для наблюдателей. Обычно экзопланеты изучают как статичные объекты, а здесь мы видим динамику в реальном времени.

Открытое окно в неизведанное

Метод, который использовала команда, — не просто способ найти одну планету. Это принципиально новый инструмент для изучения целого класса невидимых миров. Большинство экзопланет во Вселенной, как подчёркивает Бретон, не транзитны, и до сих пор они выпадали из поля зрения астрономов. Теперь, когда отработан подход с фазовыми кривыми и высокоточными измерениями лучевых скоростей, можно начинать систематический поиск таких «скрытых» планет.

HARPS-N, установленный на Национальном телескопе Галилео, оказался ключевым инструментом. Именно его точность позволила уловить вариации света, которые раньше терялись в шуме. А сочетание данных Kepler и TESS дало временную ось — возможность увидеть, как меняется объект со временем.

Пока что KIC 9139163 b (так, вероятно, назовут кандидата после подтверждения) остаётся кандидатом, а не полноценно подтверждённой планетой. Но даже в этом статусе он уже успел рассказать астрономам о том, как устроены миры в нептунианской пустыне, как они умирают и как их можно находить вопреки всем ограничениям. Вопрос, сколько ещё таких «невидимок» прячется у других звёзд, остаётся открытым. Но теперь есть метод, который способен их вытащить на свет.