Разница в плотности между субпланетами наконец-то расшифрована

В нашей галактике много экзопланет. Наиболее распространены те, что находятся между радиусом Земли (около 6400 км) и Нептуна (около 25 000 км), известные как «квази-Нептун». По оценкам, от 30% до 50% звезд типа Солнца содержат хотя бы одну из них.

Расчет плотности этих планет представляет собой научную задачу. Чтобы оценить его плотность, мы должны сначала измерить его массу и радиус. Проблема: Планеты, массы которых измеряются методом TTV (изменение времени прохождения), менее плотные, чем планеты, массы которых измеряются методом лучевой скорости, который является другим возможным методом измерения.

«Метод TTV предполагает измерение изменений во времени транзита. «Гравитационные взаимодействия между планетами в одной системе немного изменят момент, в который планеты проходят перед своей звездой», — объясняет Жан-Батист Делиль, научный сотрудник кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE и соавтор. исследования. «Метод лучевых скоростей, с другой стороны, предполагает измерение изменений скорости звезды в результате присутствия вокруг нее планеты».

Устраните любую предвзятость

Международная группа под руководством ученых из NCCR PlanetS, UNIGE и UNIBE опубликовала исследование, объясняющее этот феномен. Это происходит не из-за ошибок отбора или наблюдений, а скорее из-за физических причин. «Большинство систем, измеренных методом TTV, находятся в резонансе», — объясняет Адриан Лелио, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE и ведущий автор исследования.

Исследователь добавляет: «Две планеты находятся в резонансе, когда соотношение между периодами их обращения является рациональным числом. Например, когда планета обращается вокруг своей звезды дважды, другая планета совершает только один оборот. Если в резонансе несколько планет, то это так. образует цепочку». «Из-за резонансов Лапласа мы задались вопросом, существует ли фундаментальная связь между плотностью и резонансной орбитальной конфигурацией планетной системы».

Чтобы доказать взаимосвязь между плотностью и резонансом, астрономам сначала пришлось исключить любую погрешность данных, тщательно отобрав планетные системы для статистического анализа. Например, обнаружение большой планеты малой массы во время транзита потребует больше времени для обнаружения на лучевых скоростях. Это увеличивает риск того, что наблюдения будут прерваны до того, как планета появится в данных о лучевой скорости и, следовательно, до того, как можно будет оценить ее массу.

«Этот процесс отбора приведет к смещению литературы в пользу более высоких масс и плотностей планет, характеризуемых методом лучевых скоростей. Поскольку измерения их масс не проводятся, менее плотные планеты будут исключены из нашего анализа», — объясняет Адриан Лелио.

После того, как этот процесс очистки данных был выполнен, астрономы смогли определить с помощью статистических тестов, что плотность субнептуновых планет ниже в резонансных системах, чем в нерезонансных системах, независимо от метода, используемого для определения их масс.

Проблема с эхом

Ученые предлагают несколько возможных объяснений этой связи, в том числе процессам формирования планетных систем. Основная гипотеза исследования заключается в том, что все планетные системы в первые несколько мгновений своего существования сходятся к состоянию резонансной струны, но только 5% из них остаются стабильными. Остальные 95% становятся нестабильными. Затем резонансная цепочка разрушается, что приводит к серии «катастроф», таких как столкновения между планетами. Планеты сливаются вместе, увеличивая свою плотность, а затем переходя на нерезонансные орбиты.

Этот процесс порождает две совершенно разные группы подпланет: плотные и менее плотные. «Численные модели формирования и эволюции планетных систем, которые мы разработали в Берне за последние два десятилетия, воспроизводят именно эту тенденцию: планеты в резонансе», — заключает Ян Алиперт, профессор кафедры космических исследований и планетологии университета. Берна, содиректора Центра космоса и обитаемости и соавтора исследования: «Более того, это исследование подтверждает, что большинство планетных систем были местом гигантских столкновений, подобных тем, которые привели, или даже более жестоких. поднимитесь на нашу Луну».