Учёные любят краевые случаи. На таких примерах природа рассказывает нам, каковы её границы и где лежат её пределы. Вместо того чтобы расстраиваться, когда необычный случай не вписывается в принятую схему, учёные проявляют любопытство.

Так произошло и с новым открытием массивной планеты, вращающейся вокруг маленькой звезды. Это противоречит нашему пониманию того, как формируются планеты, а значит, наша модель планетообразования нуждается в обновлении.

В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи объявили об открытии экзопланеты с массой как у Нептуна, вращающейся вокруг звезды с довольно малой массой. Это звезда LHS 3154, M-карлик, или красный карлик. Её масса составляет всего 0,11 от массы Солнца, что является нормальной массой для красного карлика.

Но удивительным в этой системе можно назвать размер планеты, вращающейся вокруг звезды. Планета называется LHS 3154b, и это просто монстр по сравнению с большинством планет, вращающихся вокруг красных карликов. Её масса составляет не менее 13,2 массы Земли. Это ставит её в один ряд с Нептуном, который потянет на 17 масс Земли. LHS 3154b также находится на очень близкой орбите, её оборот вокруг звезды занимает всего 3,7 дня.

Новая работа называется «Экзопланета с массой Нептуна на близкой орбите вокруг звезды с очень низкой массой бросает вызов моделям формирования». Ведущий автор — Гудмундур Стефанссон, стипендиат НАСА по астрофизике имени Сагана в Принстонском университете. Во время работы над этим открытием Стефанссон был аспирантом в Пенсильванском университете.

«Это открытие лишний раз доказывает, как мало мы знаем о Вселенной, — говорит Суврат Махадеван, профессор астрономии и астрофизики в Пенсильванском университете и соавтор статьи. — Мы не ожидали, что у такой маломассивной звезды может существовать планета такой массы».

Почему это открытие удивительно? Всё дело в звёздах и их протопланетных дисках.

Формирование звезды начинается с протозвёзды в центре солнечной туманности. По мере формирования звезды вокруг неё образуется вращающийся диск из газа и пыли, называемый протопланетным диском. В диске образуются комки материи, из которых постепенно формируются планетезимали и планеты. Это очень сложный процесс, который мы до конца не понимаем. Но учёные знают, (или думали, что знают) что чем больше масса диска, тем массивнее планеты, которые могут образоваться. А масса диска сильно зависит от массы звезды.

Выглядит формула просто: массивная звезда = массивный диск = массивные планеты. Естественно, мы считаем верным и обратное. Маленькая звезда = маленький диск = маленькие планеты. Но LHS 3154b и её звезда не соответствуют этой формуле. В протопланетном диске просто не должно было быть достаточно массы для формирования планеты.

«Ожидается, что в планетообразующем диске вокруг маломассивной звезды LHS 3154 не должно было найтись достаточно твёрдой массы для образования этой планеты, — говорит Махадеван. — Но планета там есть, и теперь нам нужно пересмотреть наше понимание того, как формируются планеты и звёзды».

Чтобы обнаружить массивную планету, потребовался специальный прибор, и Махадеван возглавил группу учёных, которая его создала. Он называется Habitable Zone Planet Finder или HPF, спектрограф, созданный в Пенсильванском университете. HPF предназначен для обнаружения планет, вращающихся вокруг холодных звёзд, которые могут иметь жидкую воду на поверхности. Малые планеты очень трудно обнаружить около крупных и ярких звёзд, таких как наше Солнце, потому что свет Солнца подавляет всё остальное.

Но вокруг небольших более холодных звёзд планеты найти гораздо проще. Такие планеты расположены к своим звёздам достаточно близко для того, чтобы на их поверхности была жидкая вода.

«Представьте, что звезда — это костёр. Чем сильнее остывает костёр, тем ближе к нему нужно подходить, чтобы согреться, — говорит Махадеван. — То же самое верно и для планет. Если звезда холоднее, то планета должна быть ближе к ней, чтобы быть достаточно тёплой и содержать жидкую воду. Если планета находится на достаточно близкой орбите к ультрахолодной звезде, мы можем обнаружить её, заметив очень тонкие изменения в цвете спектра или света звезды, когда на неё воздействует орбитальная планета».

LHS 3154 — одна из самых маленьких звёзд, когда-либо обнаруженных. Её масса составляет всего 11 % от массы Солнца, а для поддержания термоядерного синтеза звезде необходимо иметь 8 % массы Солнца. Её называют звездой VLM или звездой очень низкой массы. Такие звёзды, как LHS 3154, трудно заметить, потому что они очень маленькие и тусклые. По этой причине в исследованиях экзопланет участвует не так много VLM-звёзд.

Но астрономы разработали HPF с учётом этого обстоятельства. Команда исследователей, создавших эту работу, начала наблюдать LHS 3154 с помощью HPF ещё в 2020 году. Они быстро обнаружили признаки наличия планеты вокруг звезды, которая своим вращением придавала ей характерные колебания. Однако известно, что М-карлики часто вспыхивают, что может быть ложным срабатыванием, поэтому астрономы некоторое время наблюдали за звездой. Как только они увидели, что сигнал постоянен, они поняли, что нашли планету.

Известно, что у М-карликов может быть много планет, но они, как правило, гораздо меньше огромных планет, которые мы видим в нашей Солнечной системе и вокруг других звёзд, похожих на наше Солнце. LHS 3154b — редкое явление, а это значит, что учёным предстоит работа по объяснению того, как она там образовалась.

«Судя по текущим наблюдениям с помощью HPF и других инструментов, объект, подобный тому, который мы обнаружили, скорее всего, крайне редкий, поэтому его обнаружение было действительно захватывающим, — говорит Меган Деламер, аспирантка астрономического факультета Пенсильванского университета и соавтор статьи. — Наши нынешние теории образования планет с трудом описывают то, что мы видим».

Согласно результатам измерений, проведённых командой, LHS 3154b должна иметь тяжёлое планетарное ядро. Но современные модели предсказывают, что в протопланетном диске не должно было быть достаточно материала для его формирования. Протопланетный диск содержит как газ, так и пыль. Соотношение между ними помогает объяснить, какой массой будет обладать звезда и какими массами будут обладать планеты. Существование LHS 3154 b вокруг М-карлика говорит о том, что соотношение пыли и газа в диске должно быть в десять раз выше, чем это представляют себе учёные.

Существует две теории образования планет. Одна из них — теория образования ядра, согласно которой материя образует сгусток, который накапливает всё больше и больше материи, пока не образуется планетарное ядро. Другая — модель гравитационной нестабильности. Она объясняет, как массивные планеты формируются в массивных дисках. Вместо аккреции камешков газ гравитационно коллапсирует в диске, образуя в итоге газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн.

Команда провела множество симуляций, чтобы проверить эти теории на соответствие их выводам. Моделирование механизма выделения ядра не привело к образованию планет такой же массы, как LHS 3154b, а моделирование механизма гравитационного коллапса не привело к образованию планет такой же малой массы, как LHS 3154b.

«Оба потенциальных механизма образования требуют протопланетных дисков с существенно большей массой пыли, чем обычно наблюдается вокруг маломассивных звёзд», — пишет команда в своей статье.

Возможно, протопланетные диски, по крайней мере в некоторых случаях, всё ещё могут накапливать вещество из молекулярного облака, из которого образовалась звезда. Таким образом, по сути, существует ещё один резервуар материала, из которого могут сформироваться планеты. Это одно из возможных объяснений.

Возможно также, что протопланетные ядра формируются раньше, чем считается, — в течение 1 миллиона лет после появления протозвёзды-хозяина. Ожидается, что в таком молодом возрасте протопланетные диски будут более массивными, чем в более поздние периоды. Это может обеспечить быстрое накопление достаточного количества материала и формирование газового гиганта.

Третья возможность заключается в том, что мы не совсем правильно оцениваем происходящее. Если вокруг звезды пыль превращается в крупные камешки, то в инфракрасном диапазоне её трудно разглядеть. «...Камешки такого размера не обнаружить миллиметровыми наблюдениями, используемыми для оценки общей массы пыли, что приведёт к занижению общей массы протопланетного диска», — объясняют исследователи.

«Каким бы ни было окончательное объяснение, это открытие показывает, что HPF делает то, для чего он был создан. Если он сможет найти больше таких краевых случаев, мы будем на пути к выяснению более важных деталей процесса планетообразования».

«То, что мы обнаружили, стало настоящим испытанием для всех существующих теорий формирования планет, — говорит Махадеван. — Именно для этого мы и создавали HPF, чтобы выяснить, как самые распространённые звёзды в нашей галактике формируют планеты, и найти эти планеты».

«Открытие, сделанное с помощью HPF, было особенным, поскольку это новый инструмент, который мы спроектировали, разработали и построили с нуля для изучения неизведанной популяции планет вокруг звёзд самой низкой массы, — сказал Гурмундур Стефанссон, научный сотрудник астрофизического факультета Принстонского университета имени Сагана НАСА и ведущий автор статьи. Стефанссон также участвовал в разработке HPF и работал над исследованием в качестве аспиранта в Пенсильванском университете. — Теперь мы пожинаем плоды, изучая новые и неожиданные аспекты этой захватывающей популяции планет, вращающихся вокруг одних из самых близких звёзд».