Учёные из Университета штата Пенсильвания и Университета Осаки обнаружили новую планету в необычной планетной системе Kepler-51, известной своими тремя сверхнизкоплотными «суперпухлыми» планетами. Исследователи планировали изучить третью планету, Kepler-51d, с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), но столкнулись с неожиданностью, когда планета прошла перед своей звездой на два часа раньше, чем предсказывали модели.
После тщательного анализа новых и архивных данных, собранных с различных космических и наземных телескопов, исследователи пришли к выводу, что наилучшим объяснением является наличие четвёртой планеты, гравитационное притяжение которой влияет на орбиты других планет в системе. Результаты исследования были опубликованы в The Astronomical Journal.
«Сверхпухлые планеты очень необычны, поскольку у них очень малая масса и низкая плотность. Три ранее известные планеты, вращающиеся вокруг звезды Kepler-51, по размеру примерно равны Сатурну, но лишь в несколько раз тяжелее Земли, что приводит к плотности, подобной сахарной вате. Мы думаем, что у них крошечные ядра и огромные атмосферы из водорода и гелия, но то, как образовались эти странные планеты и как их атмосферы не были сдуты интенсивным излучением их молодой звезды, остаётся загадкой», — объясняет Джессика Либби-Робертс, научный сотрудник Центра экзопланет в Университете штата Пенсильвания и соавтор статьи.
Источник: NASA, ESA, and L. Hustak, J. Olmsted, D. Player and F. Summers (STScI)
Исследователи использовали метод вариаций времени транзита для обнаружения новой планеты. Когда планета проходит перед своей звездой, она блокирует часть света звезды, вызывая уменьшение её яркости. Продолжительность и величина этого уменьшения дают подсказки о размере планеты и других характеристиках. Планеты совершают транзит, когда они завершают орбиту вокруг своей звезды, но иногда они совершают транзит на несколько минут раньше или позже, поскольку гравитация других планет в системе влияет на их. Эти незначительные различия известны как вариации времени транзита и встроены в модели астрономов, чтобы позволить точно предсказать, когда будет происходить транзит.
Несмотря на то, что трёхпланетная модель системы Kepler-51 успешно предсказала время транзита Kepler-51b в мае 2023 года, исследователи столкнулись с проблемой при наблюдении транзита Kepler-51d в 2022 году. Однако, они не ожидали, что Kepler-51d не будет транзита, как ожидалось, когда они планировали наблюдать его с помощью JWST.
«Мы были озадачены ранним появлением Kepler-51d, и никакая тонкая настройка модели из трёх планет не могла объяснить столь большое расхождение. Только добавление четвёртой планеты объяснило эту разницу. Это первая планета, обнаруженная с помощью вариаций транзитного времени с использованием JWST», — сказал Кенто Масуда, доцент кафедры наук о Земле и космосе в Университете Осаки и соавтор статьи.
Исследователи проанализировали новые данные с телескопа обсерватории Apache Point (APO) и JWST, а также пересмотрели предыдущие транзитные данные с космического телескопа Kepler и TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Они также провели новые наблюдения планет в системе, в том числе с помощью космического телескопа Hubble и телескопа Palomar Observatory Калифорнийского технологического института, а также получили архивные данные с нескольких наземных телескопов.
Поскольку транзит новой планеты Kepler-51e пока не наблюдался, исследователи провели поиск методом «грубой силы», протестировав множество различных комбинаций свойств планет, чтобы найти такую модель из четырёх планет, которая объясняет все данные о транзитах, собранные за последние 14 лет. Они обнаружили, что сигнал лучше всего объясняется, если Kepler-51e имеет массу, близкую к массе трёх других планет, и движется по довольно круговой орбите с периодом около 264 дней.
Учёт четвёртой планеты и корректировка моделей также изменяют ожидаемые массы других планет в системе, что влияет на другие предполагаемые свойства этих планет и сообщает, как они могли образоваться. Хотя внутренние три планеты немного массивнее, чем считалось ранее, они всё ещё классифицируются как «супер-пухлые». Однако неясно, является ли Kepler-51e такой же планетой, поскольку исследователи не наблюдали транзит Kepler-51e, а, следовательно, не могут рассчитать её радиус или плотность.
«Подобные планеты встречаются довольно редко, и они, как правило, единственные в планетной системе. Теперь нам нужно объяснить четвёртую планету, а так же мы не можем исключить дополнительные планеты в системе», — сказала Либби-Робертс.
Поскольку исследователи полагают, что период обращения Kepler-51e составляет 264 дня, они заявили, что для получения более полной картины воздействия её гравитации (или гравитации дополнительных планет) на три внутренние планеты в системе необходимо дополнительное время наблюдений. Продолжение изучения изменений времени транзита может помочь обнаружить планеты, которые находятся дальше от звезды, и может помочь в поисках экзопланет, которые потенциально могут поддерживать жизнь.
В настоящее время исследователи анализируют остальные данные JWST, которые могут предоставить информацию об атмосфере Kepler-51d. Изучение состава и других свойств трёх внутренних планет также может улучшить понимание того, как образовались эти необычные планеты.
