Планетные системы оказались упорядочены по размеру планет и интервалам между ними

Группа астрономов из США и Канады проанализировала данные о более чем 900 планетах, входящих в состав около 350 систем, и показала, что радиусы планет-соседок и отношение периодов их обращения совпадают с хорошей точностью. 

За последние десять лет ученые нашли около четырех тысяч экзопланет, обращающихся вокруг трех тысяч звезд. Примерно в шести сотнях из этих планетных систем находится более одной экзопланеты. Такие системы представляют особенный интерес для астрофизиков — сравнивая текущие параметры планет из одной системы, можно определить, какие механизмы управляли ее эволюцией в прошлом. Напомним, что общепринятой теории формирования планет по-прежнему не существует.

Большое число экзопланет было открыто с помощью космического телескопа «Кеплер», который регистрировал изменение яркости звезды при прохождении планеты по ее диску (телескоп собирал данные вплоть до 12 мая 2013 года). С помощью этого способа можно определить примерный радиус планеты и период ее обращения вокруг звезды. К сожалению, точность подобных измерений не очень высока (относительная погрешность может достигать сорока процентов), и для уточнения параметров планет необходимо задействовать наземные телескопы. С подобной целью в 2011 году был запущен проект «Калифорнийское исследование Кеплера» (California Kepler Survey, CKS), который использовал установленный в обсерватории Кека спектрограф HIRES. В настоящее время в рамках проекта изучено около тысячи трехсот звездных систем и измерены параметры более чем двух тысяч экзопланет.

Такие большие наборы данных позволяют ученым заняться тщательным анализом и поиском среди закономерностей. Группа ученых под руководством Лорен Вайс (Lauren Weiss) отобрала из собранных в рамках CKS данных около 470 звезд, вокруг которых обращалось не менее двух экзопланет. Затем ученые отсеяли системы, в которых погрешности определения радиуса планеты и ее орбиты были слишком велики. В конечном счете астрономы получили набор из 909 планет, образующих 355 планетных систем.

Во время предварительного анализа («на глаз») систем с большим числом планет ученые заметили, что планеты из одной и той же системы как правило имеют одинаковый размер. В то же время, если одна из планет в выбранной паре имела больший радиус, она находилась на большем отдалении от звезды. Чтобы подкрепить эти наблюдения, ученые измерили корреляцию между радиусами планет-соседок. Другими словами, они построили зависимость Rj+1 от Rj, где Rj — это радиус j-ой по отдаленности от звезды планеты. Оказалось, что такие точки довольно неплохо ложатся на прямую y = x (коэффициент корреляции r = 0,65, p-значение p < 10−5). 

Зависимость радиусов соседних планет
   
 
Один из бутстрэппинговых тестов

Чтобы доказать, что подобные корреляции обусловлены какими-то астрофизическими причинами, а не недостатками метода измерений, ученые выполнили бутстрэппинговые тесты. Для этого они сгенерировали на основании известной функции распределения радиусов планет различные псевдовыборки и отсеяли из них такие, которые теоретически мог зарегистрировать телескоп «Кеплер». Затем они аналогичным образом измерили на таких выборках корреляцию между радиусами планет-соседок. Оказалось, что на этот раз Rj+1 и Rj практически не скоррелированы (r ≈ 0,0, p ≈ 0,5), то есть дело тут именно в каких-то астрофизических процессах, определявших в прошлом эволюцию планетных систем.

Кроме того, ученые аналогичным образом доказали, что в исследуемых системах отношение периодов обращения соседних планет остается примерно постоянным. Иначе говоря, если периоды j-ой и j+1-ой планет относятся как 2:1, то периоды j+1-ой и j+2-ой будут относиться так же. К сожалению, в этом случае выборка была гораздо меньше, чем при исследовании радиусов, поскольку для анализа подходили только системы с не менее чем тремя планетами. К тому же периоды обращения более тысячи дней пришлось исключить из рассмотрения, поскольку «Кеплер» собирал данные всего около четырех лет. Тем не менее, коэффициент корреляции оказался равен примерно r = 0,46, p-значение p < 10−5, а бутстрэппинговые тесты снова не смогли воспроизвести результат.

Зависимость отношения периодов соседних планет


Один из бутстрэппинговых тестов

Наконец, астрономы отмечают, что найденные закономерности согласуются с наиболее распространенной теорией формирования планет, предполагающей образование и последующий рост неоднородностей в газопылевом облаке, окружающем молодую звезду. Дальнейшие наблюдения за экзопланетами позволят еще лучше понять, как возникают планетные системы. Возможно, с их помощью удастся ответить на вопрос, является ли уникальной Солнечная Система, которая сильно отличается от открытых «Кеплером» систем.

В феврале прошлого года астрономы сообщили об открытии системы, в которой находится сразу семь экзопланет — все они обращаются вокруг красного карлика TRAPPIST-1. В том числе для изучения этой системы использовался космический телескоп «Кеплер». Подробнее прочитать о системе TRAPPIST-1 можно в материале «Пивное братство в созвездии Водолея».