Чтобы лучше понимать природу, нам важно знать весь диапазон явлений, существующий в ней. Это очевидно и для науки об экзопланетах, и для наших теорий формирования планет. Отклонения и странности природы влияют на наши модели и побуждают учёных копать глубже.

Gliese 367 b (или Tahay), безусловно, является странной планетой. Это планета с ультракоротким периодом обращения (Ultrashort Period, USP), которая обращается вокруг своей звезды всего за 7,7 часа. В нашем каталоге экзопланет, насчитывающем более 5000 экзопланет, есть ещё почти 200 планет с ультракоротким периодом, так что Gliese 367 b не является уникальной в этом отношении. Но она исключительна в другом: это сверхплотная планета почти в два раза плотнее Земли. Это означает, что она должна состоять практически из чистого железа.

Астрономы обнаружили Тахэй в данных спутника TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), полученных в 2021 году. Однако новое исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal Letters, позволяет уточнить массу и радиус странной планеты с помощью улучшенных измерений. Кроме того, обнаружены два родных брата этой планеты. Исследование называется «Компания для сверхвысокой плотности, сверхкороткого периода субземли GJ 367 b: открытие двух дополнительных маломассивных планет с периодами 11,5 и 34 дня». Ведущий автор — Элиза Гоффо, аспирант физического факультета Туринского университета.

Художественная иллюстрация наблюдения за небом с помощью спутника НАСА Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). TESS обнаружил G 367 b, но лишь с трудом. Крошечная планета находилась на пределе возможностей TESS по обнаружению.

TESS обнаружил Gliese 367 b в 2021 году, когда зафиксировал крайне слабый транзитный сигнал от красной карликовой звезды Gliese 367. Сигнал находился на пределе возможностей TESS, поэтому астрономы знали, что экзопланета размером не превышает Землю.

В рамках работы над проектом 2021 года исследователи использовали спектрограф High-Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) Европейской южной обсерватории для определения массы и плотности G 367 b. Они установили, что радиус планеты составляет 72% земного, а масса — 55% земной. Это означает, что она, скорее всего, представляет собой железную планету — видимо, это остаток ядра некогда гораздо более крупной планеты.

Перенесёмся в настоящее время и познакомимся с новыми исследованиями Гоффо и её коллег.

На этом снимке великолепная Галактика Млечный Путь сияет над обсерваторией ESO Ла Силла. На 3,6-метровом телескопе ESO установлен непревзойдённый по точности спектрограф High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS), предназначенный для поиска экстрасолнечных планет.

Для измерения малой планеты также использовался инструмент HARPS. На этот раз астрономы провели 371 наблюдение G 367 b с помощью HARPS. Полученные результаты показывают, что планета ещё более плотная, чем посчитали в исследовании 2021 года. Вместо 55% массы Земли новое исследование показало, что масса планеты составляет 63% массы Земли. Её оценочный радиус также уменьшился от 72% земного до 70% земного.

В итоге получается, что плотность G 367 b в два раза больше, чем у Земли.

Как планета стала такой? Маловероятно, что она такой сформировалась. Скорее всего, это ядро планеты, у которой исчезла каменистая мантия.

«Можно сравнить GJ 367 b с планетой, похожей на Землю, у которой удалена каменистая мантия, — говорит ведущий автор работы Гоффо. — Мы полагаем, что планета могла сформироваться подобно Земле, вместе с плотным ядром, состоящим в основном из железа, окружённым богатой силикатами мантией».

Должно было произойти нечто экстраординарное, чтобы малая планета лишилась своей мантии. «Катастрофическое событие могло лишить её каменистой мантии, оставив плотное ядро планеты голым, — пояснил Гоффо. — К удалению внешнего слоя планеты могли привести столкновения между ней и другими ещё формирующимися протопланетами на ранних этапах её жизни».

На этом изображении художника показано столкновение, которое могло произойти между протопланетным объектом и планетой размером с Меркурий. В результате столкновения внешние слои G 367 b могло сорвать, после чего у неё осталось только железное ядро.

Другая возможность, по мнению Гоффо, заключается в том, что планета родилась в необычно богатой железом области протопланетного диска. Но это кажется маловероятным.

Существует и третья возможность, о которой впервые задумались астрономы, обнаружившие G 367 b в 2021 году. Это может быть остаток некогда огромного газового гиганта, подобного Нептуну. Для этого планета должна была сформироваться дальше от звезды, а затем мигрировать внутрь. Сейчас она находится так близко к своей звезде, что интенсивное облучение красного карлика привело бы к выкипанию атмосферы.

G 367 b относится к очень небольшому классу экзопланет, называемых супер-Меркуриями. Их состав такой же, как у Меркурия, но они больше и плотнее. (Несмотря на то, что они редки, существует одна система с двумя такими планетами). Возможно, Меркурий постигла та же участь, что и G 367 b. Возможно, когда-то у него было больше мантии и коры, но в результате столкновений они были удалены.

Но G 367 b выделяется даже среди супермеркуриев. Это самая плотная из известных нам USP. «Благодаря точным оценкам массы и радиуса мы изучили возможный внутренний состав и структуру GJ 367 b и пришли к выводу, что у неё должно быть железное ядро с массовой долей 0,91», — говорится в новой статье.

Что же произошло в этой системе? Как G 367 b оказалась в таком состоянии и так близко к своей звезде?

Исследователи также обнаружили в этой системе ещё две планеты: G 367 c и d. Астрономы считают, что планеты USP почти всегда обнаруживаются в системах с несколькими планетами, и новое исследование укрепляет эту точку зрения. TESS не смог обнаружить эти планеты, поскольку они не проходят транзитом через свою звезду. Команда обнаружила их в ходе наблюдений HARPS, и их присутствие ограничивает возможные сценарии формирования.

«Благодаря интенсивным наблюдениям с помощью спектрографа HARPS мы обнаружили присутствие двух дополнительных маломассивных планет с орбитальными периодами 11,5 и 34 дня, что сокращает число возможных сценариев, которые могли привести к образованию такой плотной планеты», — сказал соавтор исследования Давиде Гандольфи (Davide Gandolfi), профессор Туринского университета.

Планеты-компаньоны также вращаются вблизи звезды, но массы у них меньше. Это уменьшает вероятность того, что все они или какая-то из них сформировались в богатой железом среде, но не исключает такой возможности. «Хотя GJ 367 b могла сформироваться в богатой железом среде, мы не исключаем сценарий формирования, связанный с бурными событиями, такими как столкновения с другими планетами», — сказал Гандольфи в пресс-релизе.

В заключении своей работы команда немного углубилась в возможные сценарии формирования. У протопланетного диска вокруг Gliese 367 должна была быть область, богатая железом. Но астрономы не знают, может ли вообще существовать подобная богатая железом область.

«Один из возможных путей её возникновения заключается в том, что она образовалась из материала, значительно более богатого железом, чем тот, который обычно присутствует в протопланетных дисках. Хотя неясно, существуют ли диски с таким большим относительным содержанием железа именно вблизи внутреннего края (откуда может быть получена большая часть материала)», — пишут они. Более того, в отдельном исследовании 2020 года говорится, что их симуляция формирования планет «не может воспроизвести экстремальное обогащение диска железом, необходимое для объяснения формирования Меркурия». Если дисковые модели не могут объяснить, как образовался богатый железом Меркурий, то они не могут объяснить, как образовался G 367 b.

Более вероятно, что в момент формирования планета имела другую форму, а затем со временем приобрела свой нынешний вид. Могло произойти коллизионное разрушение — удаление внешнего материала планеты в результате одного или нескольких столкновений. Поскольку у гравитационно дифференцированных планет внешний материал менее плотный, чем внутренний, многократные столкновения должны были увеличить объёмную плотность G 367 b за счёт удаления более лёгкого материала. Но с этим есть, по крайней мере, одна проблема: «Наши оценки общей плотности GJ 367 b позволяют предположить, что удаление поверхностного материала с планеты в результате столкновения должно было сработать чрезвычайно эффективно — если это был единственный процесс, ответственный за удаление скалистой породы», — пишут авторы. Удивительно эффективно, но всё же в пределах возможного.

Таким образом, возможны три варианта: планета сформировалась в богатой железом среде, планета когда-то была больше и потеряла свои внешние слои в результате столкновений, или планета является остатком ядра некогда массивного газового гиганта, который мигрировал слишком близко к своей звезде, после чего его газообразная оболочка испарилась.

На рисунке показана экзопланета с массой Юпитера, находящаяся в опасной близости от своей звезды. Когда газообразные планеты слишком близко подходят к своим звёздам, мощное облучение может разрушить газовую оболочку.

Возможно, нам не придётся останавливаться на одном варианте. «Конечно, все вышеописанные процессы вместе могли способствовать образованию почти чистого железного шара, известного как GJ 367 b», — пишут авторы.

Эта система похожа на головоломку, и астрономам предстоит её разгадать. Необычные свойства этой системы делают её исключением, а учёным нравятся исключения, поскольку они побуждают их копать глубже. Если наши существующие теории не могут объяснить эти странности, значит, наши теории нуждаются в доработке.

«Уникальная многопланетная система, в которой находится субземля со сверхвысокой плотностью, представляет собой необычный объект для дальнейшего изучения сценариев формирования и миграции систем USP», — заключают исследователи.