< Конгресс повысит бюджет НАСА на треть миллиарда долларов

О массах и средней плотности четырех субсатурнов

Методом измерения лучевых скоростей определены массы и средние плотности четырех транзитных планет с радиусами в интервале от 4.5 до 5.5 радиусов Земли.

---

Владислава Ананьева

В Солнечной системе есть четыре планеты земного типа, два ледяных гиганта и два газовых гиганта, но отсутствуют планеты с радиусами, попадающими в интервал между радиусами Земли и Нептуна (1-3.9 радиусов Земли) с одной стороны, и Урана и Сатурна (4-9.4 радиусов Земли) с другой. При этом космический телескоп им. Кеплера показал, что большинство планет имеют размеры, в 1-3 раза превышающие земные. Таким образом, стало ясно, что Солнечная система не является типичной планетной системой, и что планет многих распространенных типов в Солнечной системе нет. 

Отдельный интерес вызывает изучение субсатурнов – планет с радиусами от 4 до 8 радиусов Земли. Массы, средние плотности и химический состав планет этого размерного класса могут резко отличаться друг от друга. Субсатурны могут быть легкими газовыми гигантами, а могут быть тяжелыми нептунами, их изучение способно пролить свет на процессы формирования планет-гигантов. 

2 февраля 2017 года в Архиве электронных препринтов была опубликована статья, посвященная определению масс четырех субсатурнов, обнаруженных «Кеплером» в рамках расширенной миссии K2 – K2-27 b, K2-32 b, K2-39 b и K2-108 b. Все эти планеты имеют радиусы в интервале 4.5-5.5 радиусов Земли, но их массы сильно различаются, что свидетельствует об их разной физической природе. 

Массы планет были измерены методом измерения лучевых скоростей родительских звезд с помощью спектрографа HIRES, установленного на 10-метровом телескопе Кек I. Погрешность единичного замера составила 1.5-2 м/с. Кроме того для анализа использовались замеры лучевых скоростей родительских звезд, полученные с помощью спектрографов HARPS, HARPS-N и FIES. 

Горячий субсатурн K2-27 b имеет радиус 4.48 ± 0.23 радиусов Земли, он вращается вокруг своей звезды по эллиптической орбите с большой полуосью 0.0670 ± 0.0007 а.е. и делает один оборот за 6.77132 ± 0.00009 земных суток. Было получено 40 замеров лучевой скорости K2-27, они показали колебания с полуамплитудой 11.8 ± 1.8 м/с, что соответствует массе планеты, равной 30.9 ± 4.6 масс Земли. Более ранние измерения других авторов показали близкую величину – 29.1 ± 7.5 масс Земли, полностью согласующуюся с представленной оценкой. Средняя плотность планеты K2-27 b оказывается равной 1.87 ± 0.41 г/куб.см, таким образом, эта планета – тяжелый нептун. Эффективная температура планеты оценивается авторами статьи в 902 ± 28К. 

Вокруг звезды K2-32 вращается три нептуна с орбитальными периодами 8.99, 20.66 и 31.7 земных суток, близких к орбитальному резонансу 3:2:1. Авторы статьи получили 31 замер лучевой скорости звезды K2-32 на HIRES, также они воспользовались 43 замерами на HARPS и 6 на PFS, полученными другими авторами. Исследователям удалось обнаружить колебания лучевой скорости звезды, соответствующие всем трем планетам, но полуамплитуда колебаний, наведенных планетами d и c, оказалась сравнима с погрешностью измерений. Формально массы этих планет равны 6.2 ± 3.9 масс Земли и 10.3 ± 4.7 масс Земли, соответственно. Поскольку масса планеты c измерена с достоверностью менее 2 сигма, исследователи осторожно заявляют лишь о ее верхнем пределе, равном 12.1 масс Земли. 

Массу внутренней планеты K2-32 b удалось измерить более точно – она оказалась равной 16.5 ± 2.7 масс Земли, что приводит к средней плотности 0.67 ± 0.16 г/куб.см. Эта величина несколько меньше, чем полученная другими авторами (21.1 ± 5.9 масс Земли), но отличается от него всего на одно стандартное отклонение. Радиус K2-32 b составляет 5.13 ± 0.28 радиусов Земли, ее эффективная температура – 817 ± 25К. 

С планетой K2-39 b ситуация более сложная. Авторы статьи оценили ее радиус в 5.71 ± 0.63 радиуса Земли, что существенно меньше предыдущих оценок (8.2 ± 1.1 радиусов Земли). Такая разница обусловлена разными оценками радиуса родительской звезды (2.83 солнечных радиусов против 3.88 солнечных радиусов у первооткрывателей). Дальнейшие наблюдения звезды K2-39 помогут уточнить ее параметры, а значит – и параметры транзитной планеты. 

Масса K2-39 b, измеренная методом лучевых скоростей (для анализа использовались замеры, полученные на спектрографах HIRES, HARPS, FIES и PFS), оказалась равной 39.8 ± 4.4 масс Земли, что согласуется с предыдущими оценками (50.3 ± 9.7 масс Земли). Средняя плотность этой планеты оценивается авторами в 1.17 ^+0.47/_-0.32 г/куб.см, но она может оказаться существенно ниже, если подтвердится больший радиус родительской звезды). В этом втором случае K2-39 b окажется скорее легким газовым гигантом, чем тяжелым нептуном. Планета вращается вокруг своей звезды с орбитальным периодом 4.605 земных суток, ее эффективная температура достигает 1670 ± 54К. 

Наконец, радиус планеты K2-108 b составляет 5.28 ± 0.54 радиусов Земли, она вращается вокруг слегка проэволюционировавшей G-звезды и делает один оборот за 4.734 земных суток. Масса K2-108 b достигает 59.4 ± 4.4 масс Земли, что приводит к средней плотности 2.22 ^+0.77/_-0.55 г/куб.см, неожиданно высокой для планеты этого размерного класса. По-видимому, K2-108 b представляет собой тяжелый нептун с массивным ядром из тяжелых элементов, доля массы его водородно-гелиевой оболочки оценивается авторами всего в 16 ± 5%. Эффективная температура этой планеты составляет 1446 ± 48К. 

Авторы пришли к выводу, что массы исследованных субсатурнов сильно коррелируют с металличностью родительских звезд: чем выше металличность, тем массивнее оказывались ядра планет (а значит, и сами планеты). 

---