Астрономы на основе данных, собранных при помощи Магеллановых телескопов, уточнили массу и размеры трех планет в системе звезды GJ 9827, что привело к открытию планеты, у которой самая большая плотность и масса из всех суперземель, известных на сегодняшний день. Результаты работы помогают понять связь массы планеты с ее структурой в диапазоне размеров от Земли до Нептуна и механизмы образования суперземель. Препринт опубликованна портале ArXiv.org, кратко о работе сообщается в пресс-релизе Института Карнеги.

В 2009 году начал свою работу самый результативный «охотник за экзопланетами» — орбитальный телескоп «Кеплер», специализирующийся на поиске других планетных систем. «Кеплер» помог установить, что наиболее распространенным типом экзопланет в Млечном Пути с орбитальными периодами ~100 дней являются суперземли, размеры которых находятся в диапазоне между Землей и Нептуном. Именно поэтому ученых интересует состав и механизм формирования суперземель, в том числе природа самых маленьких представителей этого класса (1-2 радиуса Земли), которые могут быть каменистыми, как планеты земной группы, или содержать большое количество газообразных веществ. Более ранние работы по анализу данных телескопа показали, что существует приблизительная граница в 1,6 радиуса Земли, ниже которой состав планет будет соответствовать первому сценарию, а выше — второму.

Эту границу в размерах суперземель объясняют фотоиспарением — энергетическое излучение ионизирует газ и заставляет его рассеиваться от источника ионизации. Предполагается, что суперземли формируются у снеговой линии, а фотоиспарение играет важную роль в процессе их формирования. Зародышем суперземли может быть ядро, с составом, близким к земному, окруженное газообразной oболочкой.

Группа астрономов во главе с Джоанной Теске (Johanna Teske) изучила три планеты, открытые «Кеплером» в системе оранжевого карликаGJ 9827, который расположен в 100 световых годах от Земли в созвездии Рыб. Чтобы понять структуру и состав экзопланет, ученым необходимо с большой точностью знать значения плотности планет, на основе которых строятся модели, описывающие их внутреннюю структуру и тип атмосферы. Для нахождения плотности необходимо знать размеры и массу планеты. Значения массы планет удалось определить во время наблюдательной кампании со спектрографом PFS (Planet Finding Spectrograph), установленном на 6,5-метровом Магеллановом телескопе II, при помощи метода радиальных скоростейи пакетов обработки данных SYSTEMIC и RADVEL, размер экзопланет оценивался на основе метода транзитной фотометрии во время транзита планет на фоне диска звезды.

Было определено, что массы планет GJ 9827b, GJ 9827c и GJ 9827d составляют 7,6, 2,65 и 4,67 масс Земли соответственно. Учитывая, что их радиусы примерно равны 1,64, 1,29 и 2,08 радиусам Земли, астрономы пришли к выводу, что экзопланета GJ 9827d может иметь обширную газообразную оболочку с высоким относительным содержанием водяного пара, водорода и гелия. Тот факт, что планета получает в 30 раз меньше излучения от звезды, чем в случае нашей Земли, позволяет утверждать, что оболочка планеты мало подвержена фотоиспарению. Экзопланета GJ 9827c может содержать до 50 процентов железа и до 50 процентов воды по массе, а экзопланета GJ 9827b оказалась самой массивной и плотной, содержащей более 50 процентов железа по массе.

Однако, прежде чем объявлять GJ 9827b самой «экстремальной» суперземлей, стоит отметить несколько моментов. Во-первых, мы можем недооценивать астрофизический разброс в размерах и массах суперземель, так как за нижнюю границу переходной зоны берутся планеты Солнечной Системы. Во-вторых, гораздо сложнее получить статистически значимые ограничения на массу планеты с параметрами (2 MЗемли, 1,6 RЗемли ), чем для планеты с параметрами (8 MЗемли, 1,6 RЗемли ), что также влияет на верную оценку разброса параметров суперземель. В-третьих, все еще существует вопрос о том, насколько значение массы планеты зависит от деталей наблюдений и методики их анализа. Тем не менее, GJ 9827b является очень интересным объектом с точки зрения происхождения, возможно она образовалась в результате столкновения нескольких тел. Дальнейшие наблюдения должны дополнительно уточнить массы планет и помочь понять их структуры.

Ранее мы рассказывали о том, как астрономам удалось при помощи гравитационного микролинзирования обнаружить признаки существования сразу нескольких тысяч межзвездных экзопланет за пределами Млечного Пути, какая существует связь между химическим составом звезды и окружающими ее планетами и как один «горячий Юпитер» поставил под сомнение современные теории возникновения планет.