Ученые разгадали тайну происхождения «горячих» экзопланет

Астрономы нашли способ отличить «горячие юпитеры», которые мигрировали к своим звездам плавно, от планет, переживших бурное гравитационное прошлое. Новый метод позволяет впервые с уверенностью выделить экзопланеты, сформировавшиеся в протопланетном диске и постепенно сместившиеся на близкие орбиты. Работа опубликована в журнале The Astronomical Journal (AstroJournal).

«Горячими юпитерами» называют массивные газовые планеты, сопоставимые по размеру с Юпитером, но обращающиеся вокруг своих звезд всего за несколько дней. С момента открытия первой такой экзопланеты в 1995 году ученые пришли к выводу, что формируются они далеко от звезды, а затем мигрируют внутрь системы. Однако как именно происходит эта миграция — вопрос, который долгое время оставался открытым.

Существуют две основные гипотезы. Согласно первой, орбита планеты сначала становится сильно вытянутой под действием гравитации других тел, а затем «сглаживается» приливными силами у звезды. Такой сценарий часто сопровождается наклоном орбиты планеты относительно оси вращения звезды. Вторая гипотеза предполагает более спокойную эволюцию — планета медленно смещается внутрь, взаимодействуя с газо-пылевым диском, в котором она сформировалась.

Проблема в том, что даже если орбита горячего юпитера сегодня выглядит идеально круглой и выровненной, это еще не доказывает спокойную миграцию: приливные силы со временем могут «стереть» следы прошлого хаоса. Поэтому до сих пор у астрономов не было надежного способа определить путь, которым прошла конкретная планета.

Группа исследователей под руководством аспиранта Юго Каваи и доцента Акихико Фукуи из Токийского университета предложила новый подход, основанный на времени, необходимом для «успокоения» орбиты. В сценарии с высокой эксцентриситетной миграцией круговая орбита формируется за счет приливного взаимодействия, и этот процесс занимает вполне определенное время, зависящее от массы планеты, расстояния до звезды и других параметров. Если расчетное время круговой эволюции превышает возраст системы, значит планета не могла пройти через стадию вытянутой орбиты.

Проанализировав более 500 известных горячих юпитеров, ученые обнаружили около 30 планет, которые имеют почти идеальные круговые орбиты, хотя расчеты показывают, что за время жизни системы они не успели бы «округлиться» после хаотичной миграции. Это означает, что такие планеты, скорее всего, изначально двигались внутрь системы плавно, внутри газового диска.

По словам авторов работы, такие экзопланеты особенно ценны для дальнейших исследований. Они сохранили «память» о своем происхождении, и анализ их атмосфер — в частности, химического состава и соотношений элементов — может рассказать, в какой части протопланетного диска они сформировались. Это, в свою очередь, поможет лучше понять эволюцию планетных систем, включая процессы, которые когда-то происходили и в Солнечной системе.