< Во Фленсбургском метеорите нашли самые старые карбонаты в Солнечной системе

Шесть планет в цепочке резонансов: система TOI-178

Представлена шестипланетная система у оранжевого карлика TOI-178, причем пять планет связаны цепочкой орбитальных резонансов 2:4:6:9:12. Измерение масс планет методом лучевых скоростей показало, что две внутренние планеты являются суперземлями, а остальные – мини-нептунами.

---

Владислава Ананьева

Миссия «Кеплер» привела к открытию компактных плотно упакованных многопланетных систем, в которых планеты часто бывают связаны орбитальными резонансами, нередко образующими длинные цепочки. Такие системы формируются в невозмущенных протопланетных дисках в результате медленной когерентной миграции планет, чьи орбиты близки к круговым. Близость к резонансам позволяет расположить 5-6 орбит планет внутри орбиты Меркурия без потери системой долговременной динамической устойчивости.

25 января 2021 года в Архиве электронных препринтов была опубликована статья, посвященная компактной шестипланетной системе TOI-178. Планеты в этой системе связывает красивая цепочка орбитальных резонансов, аналог которых наблюдается среди галилеевых спутников Юпитера (резонанс Лапласа). 

История открытия планет системы TOI-178 напоминает закрученный детектив. Родительская звезда попала на 2 сектор TESS (наблюдения с 22 августа по 20 сентября 2018 года). На кривой блеска TOI-178 обнаружили три транзитных сигнала с периодами 6.55, 9.96 и 10.35 суток. Если к первому сигналу вопросов не возникло, то разница между периодами второго и третьего сигнала была слишком мала, чтобы планеты могли устойчиво существовать на своих орбитах независимо друг от друга. Не являются ли эти планеты коорбитальными?

Фотометрические наблюдения, проведенные в сентябре 2019 года наземным транзитным обзором NGTS, не подтвердили наличие планеты с периодом 10.35 суток, однако она была обнаружена месяцем позже. Чтобы объяснить эту странную ситуацию, исследователи выдвинули две гипотезы. Или коорбитальные планеты с периодами 9.96 и 10.35 суток испытывают огромные вариации времени наступления транзитов, или планеты с периодом 10.35 суток вообще не существует, а существует планета с удвоенным периодом 20.7 суток, а единственный «промежуточный» транзит в данных TESS принадлежит четвертой планете с неизвестным периодом.

Чтобы разобраться в этой запутанной ситуации, авторы статьи более 11 суток (285 часов) наблюдали звезду TOI-178 с помощью спутника ChEOPS. В результате были обнаружены еще две планеты с периодами 1.91 и 3.24 суток, подтверждены планеты с периодом 6.55 и 9.96 суток, и определен период спорной планеты – 20.71 суток. Наконец, поиск источника «промежуточного» транзита в данных TESS привел к открытию планеты с периодом 15.23 суток, доведя количество известных транзитных планет в этой системе до шести. Пять из них (кроме самой внутренней планеты b) образуют цепочку орбитальных резонансов 2:4:6:9:12.

Чтобы оценить массы планет, исследователи получили 46 замеров лучевой скорости звезды TOI-178 с помощью спектрографа ESPRESSO.

На сегодняшний день система TOI-178 выглядит так.

Родительская звезда – оранжевый карлик спектрального класса K5 V, удаленная от нас на 62.8 ± 0.2 пк. Его масса оценивается в 0.65 ± 0.03 солнечных масс, радиус – в 0.65 ± 0.01 солнечных радиусов, светимость в 7.6 раза меньше светимости Солнца. Звезда отличается несколько пониженным содержанием тяжелых элементов (их в 1.7 раза меньше, чем в составе Солнца) и зрелым возрастом в 7.1 ^+6.1/_-5.3 млрд. лет.

Внутренняя планета b – горячая суперземля массой 1.5 ± 0.4 масс Земли, что при радиусе 1.15 ± 0.07 радиусов Земли приводит к средней плотности 5.4 ± 1.9 г/куб.см, совместимой с железокаменным составом. Планета вращается вокруг своей звезды на расстоянии 0.0261 ± 0.0008 а.е. (8.6 звездных радиусов) и делает один оборот за 1.915 земных суток, ее эффективная температура достигает 1040 ± 22 К.

Вторая планета c также железокаменная – при радиусе 1.67 ± 0.11 радиусов Земли ее масса составляет 4.8 ± 0.6 масс Земли (средняя плотность 5.6 ± 1.6 г/куб.см). Эта суперземля вращается на расстоянии 0.037 ± 0.001 а.е. (12.2 звездных радиусов), ее орбитальный период – 3.238 суток, эффективная температура – 873 ± 18 К.

Третья планета d – уже мини-нептун: при радиусе 2.57 ± 0.08 радиусов Земли ее масса оценивается всего в 3 ± 1 масс Земли, что приводит к средней плотности 0.98 ± 0.33 г/куб.см. Планета вращается на расстоянии 0.059 ± 0.002 а.е. и делает один оборот за 6.558 суток, ее эффективная температура – 690 ± 14 К.

Несмотря на то, что четвертая планета e расположена дальше от звезды, она плотнее планеты d – при радиусе 2.21 ± 0.09 радиусов Земли ее масса составляет 3.9 ± 1.2 масс Земли (средняя плотность 2.0 ± 0.8 г/куб.см). Этот мини-нептун находится на расстоянии 0.0783 ± 0.0024 а.е. от своей звезды, его орбитальный период – 9.962 суток. Эффективная температура четвертой планеты оценивается в 600 ± 12 К.

Пятая планета f еще плотнее: ее масса достигает 7.7 ± 1.7 масс Земли, при этом радиус – всего 2.29 ± 0.11 радиусов Земли (средняя плотность 3.6 ± 1.2 г/куб.см). Она вращается на расстоянии 0.104 ± 0.003 а.е. и делает один оборот за 15.232 суток. Эффективная температура пятой планеты составляет 521 ± 11 К. Формально средняя плотность TOI-178 f выше средней плотности планеты из воды той же массы, но, скорее всего, и она окружена водородно-гелиевой атмосферой, чья масса составляет 2-5% массы планеты.

Шестая планета g удалена на 0.1275 ± 0.004 а.е. от своей звезды, ее орбитальный период – 20.71 земных суток. Это тоже мини-нептун: при радиусе 2.87 ± 0.14 радиусов Земли ее масса оценивается в 3.9 ± 1.6 масс Земли (средняя плотность 0.92 ± 0.38 г/куб.см). Внешняя планета в этой системе имеет температурный режим, близкий к температурному режиму Меркурия – ее эффективная температура составляет 470 ± 10К.

Внешние пять планет находятся в цепочке орбитальных резонансов 2:4:6:9:12, что делает эту систему динамически очень устойчивой.

---