Ще одна знайдена за допомогою телескопа для пошуку транзитних екзопланет TESS планета TOI-3757 b поповнила список екзопланет газових гігантів на орбітах червоних карликів. Однак попри свій радіус у 1,05 радіуса Юпітера вона має рекордно низьку щільність і складає приблизно 0,268 його маси. Так TOI-3757 b стала екзопланетою з найменшою щільністю серед усіх знайдених біля червоних карликів. Гіпотези щодо появи планети з такими характеристиками вчені опублікували у препринті статті на arXiv. Робота прийнята до публікації у видавництві American Astronomical Society.
Телескоп TESS. NASA's Goddard Space Flight Center
Які планети народжуються у червоних карликів?
Червоні карлики або М-карлики є найпоширенішим типом зірок в нашій галактиці та доволі популярні серед астрономів, які займаються пошуком екзопланет. Вони мають невеликі радіуси і низьку світність, завдяки чому планету біля них буде виявити набагато легше. Питання в тому, які саме екзопланети є сенс шукати біля таких зірок.
Згідно з моделями формування планет, за яких вони утворюються шляхом акреції матеріалу, маса протопланетного диска, який виникає внаслідок формування самої зірки, корелює з її масою. Тобто від маси батьківської зірки залежить, скільки буде доступного матеріалу для формування планет у її системі. Таким чином, враховуючи розміри зірок М-типу, утворення на їхніх орбітах масивних ядер для планет-гігантів на кшталт Юпітера значно ускладнюється. Адже на доповнення до потенційної нестачі маси диска, складність формування таких планет посилюється ще і коротким часом життя цього диска, який швидко виснажується через випаровування, що унеможливлює накопичення планетою достатньої кількості газу навколо ядра.
Тож планети-гіганти з радіусами понад чотири радіуси Землі мають бути рідкісним явищем у системах червоних карликів. Однак попри це, їх зокрема за допомогою космічного телескопа TESS, вдалося знайти близько десяти. Це наштовхує вчених на думку, що існує зв'язок між появою газових гігантів та металічністю їхніх батьківських зірок. Автори цієї роботи, астрономи Пенсільванського державного університету спільно зі своїми колегами з інших країн, повідомляють про ще одну юпітероподібну екзопланету біля червоного карлика, яка може зробити свій внесок у планетологію.
Яку планету знайшли вчені?
TOI-3757 b є типовим екзоюпітером за розмірами — радіус складає 1,05 радіуса Юпітера. Між тим маса планети складає всього 0,26 маси Юпітера, що робить TOI-3757 b планетою з рекордно низькою щільністю серед знайдених біля М-карликів — значення об'ємної щільності екзогіганту становить 0,27 грама на кубічний сантиметр. Екзопланета обертається навколо своєї зірки кожні 3,44 дня на відстані близько 0,038 астрономічної одиниці від неї, а рівноважну температуру TOI-3757 b оцінили в 759 кельвінів.
Батьківська зірка, TOI-3757, розташована приблизно в 578 світлових роках від Землі, і є карликом M-типу масою 0,64 маси Сонця, а радіусом — 0,62 радіуса Сонця. Вік зірки оцінюється в 7,1 мільярда років. TOI-3757 вважається низькометалічною зіркою для світил свого класу, однак її можна порівняти з сонячною. Вперше систему помітили за допомогою телескопа TESS, який працює транзитним методом, однак потім відкриття підтвердили і методом променевих швидкостей за допомогою спектрографів HPF на телескопі Хоббі—Еберлі та NEID, що належить обсерваторії WIYN.
Положення TOI-3757b (обведена колом) серед інших знайдених біля М-карликів планет, розподілених за масою і радіусом. Shubham Kanodia et al. / ArXiv, 2022
То звідки взялася TOI-3757 b?
На думку дослідників, є два найбільш правдоподібні сценарії формування цієї екзопланети. Свою роль могла зіграти низька металічність батьківської зірки TOI-3757 b, яка могла уповільнити формування твердого ядра, однак при цьому дала йому змогу набути достатньої маси, щоб розпочати неконтрольовану акрецію газу на нього. При цьому ядро не сформувалося достатньо, щоб акреціювати більше газу до повного розсіяння протопланетного диску, а отже не дало TOI-3757 b сформуватися у повноцінний Юпітер — лише «роздутися» до його розмірів.
Другий же сценарій, який вчені розглядають через ексцентричність орбіти TOI-3757 b, яку оцінили як e∼0,14. Вона може вказувати на припливне нагрівання від випромінювання зірки, що і спровокувало таке «роздування». Тобто через надлишкове внутрішнє тепло радіус TOI-3757 b збільшився, але маса при цьому лишилася незмінною. Втім, TOI-3757 — немолода зірка, а отже її ядро мало остигати природним шляхом. Тож нагрівання, яке спровокувало збільшення радіусу TOI-3757 b, має бути викликано якимсь іншим механізмом — наприклад, припливним нагріванням, яке може провокувати ексцентрична орбіта планети.
TOI-3757 b охоплює кілька унікальних для планетологів параметрів — це єдиний газовий гігант із низькою щільністю, що обертається навколо карлика M-типу із металічністю сонячного рівня. Розуміння того, як формувався та розвивався екзогігант TOI 3757b, може дати контекст для пояснення низької густини цієї незвичайної планети. Тому автори роботи вважають, що цей екзогігант може бути цікавою метою для космічного телескопа «Габбл» або «Джеймс Вебб». Останній вже, до речі, активно налаштовує свої дзеркала за допомогою однієї сонцеподібної зірки.
Це не перша «дивна» планета-гігант на орбіті червоного карлика. Також ми розповідали про подібну до Юпітера TOI-530b, знайдену китайськими астрономами у даних телескопа TESS. А нещодавно біля червоного карлика знайшли субнептун з рекордно витягнутою орбітою.