Впервые удалось увидеть движение экзопланеты вокруг звезды

Астрономы впервые смогли непосредственно увидеть движение экзопланеты - то, как она перемещается от одной крайней точки орбиты по отношению к звезде к противоположной. У планеты β Pictoris b наименьшая орбита из известных экзопланет, которые можно наблюдать напрямую, и расположена она почти на таком же расстоянии от своей звезды, как Сатурн от Солнца. Ученые полагают, что она, возможно, образовалась таким же способом, как и планеты-гиганты в Солнечной системе.

Звезда β Pictoris молодая, ей только 12 миллионов лет, она на 75% массивнее Солнца. Расположена примерно на расстоянии в 19 парсек (63 световых года) от Земли в направлении созвездия Живописца, и является одним из самых известных примеров звезд, окруженных пылевым диском. Околопланетные диски состоят из пыли, образованной в результате столкновений между собой более крупных тел, такими как протопланетные тела, планетезимали или астероиды. Они представляют собой более расширенную версию зодиакального пылевого пояса в нашей Солнечной системе. Изображение диска вокруг Беты Живописца - первое полученное изображение диска у экзопланет (он изучается уже на протяжении четверти века), и протяженность его достигает 1000 а.е.

Рисунок 1. Это изображение, по данным обзора DSS2, показывает область приблизительно в 1,7 х 2,3 градусов вокруг Беты Живописца (Изображение: ESO/Digitized Sky Survey 2).

Предыдущие наблюдения этой звезды (от оптики до ИК) выявили деформацию диска, его неоднородность, ассиметрию в размере, высоте и распределении яркости. Спектроскопические наблюдения выявляли спорадическое высокоскоростное падение ионизованного газа на звезду, интерпретируемые как падение кометы, которое может вызывается гравитационным влиянием массивного тела. Все эти факты являются пусть и косвенным, но признаком того, что у звезды должны быть одна или более массивных планет. Вновь полученные данные окончательно доказали это.

Планеты-гиганты формируются в газопылевых дисках, окружающих молодые звезды, но механизм образования планет до сих не до конца ясен. Превалируют 2 основные гипотезы: фрагментация диска или аккреция газа на твердые ядра массой 5-10 Мʘ. Но большинство планет-гигантов, обнаруженных вокруг звезд имеют возраст больше, чем время жизни околозвездного диска, внося еще больший разлад в теорию.

Наблюдения последних лет свидетельствуют о том, что диски вокруг молодых звезд распадаются в течение нескольких миллионов лет, и поэтому формирование гигантских планет в этих дисках должно происходить быстрее, чем считалось ранее. Данные по β Pictoris ясно показывают, что это действительно возможно: сама звезда очень молода, а это значит, что планеты-гиганты могут формироваться в околозвездных дисках за очень короткий период - за несколько миллионов лет.

Рисунок 2. Изображение β Pictoris на волне 3.78 микрон, полученное в ноябре 2003 года с помощью VLT/NaCo (слева) и осенью 2009 (справа). (Изображение: M. Lagrange).

Ученые в своих исследованиях использовали инструмент адаптивной оптики NAOS-CONICA (или NACO), установленный на одном из 8,2-метровых телескопах ESO VLT в Чили, для изучения непосредственной окрестности β Pictoris в 2003, 2008 и 2009 годах. Благодаря возможностям адаптивной оптики астрономы могут удалить большую часть эффекта размывания атмосферы и получать очень четкие изображения. В 2003 году по ИК-наблюдениям был замечен слабый источник внутри диска на расстоянии в 8 а.е. от звезды (рис.2), но тогда не удалось исключить вероятность того, что это звезда фона. На новых снимках, сделанных в 2008 и весной 2009 гг. это источник исчез. Последние данные, полученные осенью 2009 года, показали объект, но уже на другой стороне диска, после периода его отсутствия (он находился в это время либо позади или впереди звезды - в этом случае планета "забивалась" блеском звезды). Это подтверждает то, что источник действительно планета, и что она вращается вокруг звезды. Наблюдения позволяют, кроме того, оценить размер ее орбиты. На составном рисунке 3 видно, кроме того, что орбита не совсем круговая: слева планета расположена дальше от звезды, чем справа.

Рисунок 3. На этом составном изображении показаны: во внешней части - пылевой диск по наблюдениям 1996 году с помощью прибора ADONIS на 3,6-метровом телескопе ESO; во внутренней части - изображения планеты, полученные в 2003 и осенью 2009 годах с помощью NACO на 3,6 мкм на Very Large Telescope. Эти изображения свидетельствуют о присутствии планеты, которая сместилась с момента его первого наблюдения в 2003 году с левой стороны от звезды на правую осенью 2009 года. Звездочкой показано положение самой звезды (излучение самой звезды закрыто круглым экраном). Возможный вид орбиты планеты также изображен, хотя и угол наклона специально преувеличен. Показаны сравнительные размеры орбиты экзопланеты и орбиты Сатурна (Изображение: ESO/A.-M. Lagrange).

В настоящее время доступны снимки десятка экзопланет, и планета вокруг Беты Живописца (обозначается β Pictoris b) имеет наименьший размер орбиты из известных до сих пор. Она находится на расстоянии от 8 до 15 астрономических единиц от звезды, что соответствует примерно расстоянию Сатурна от Солнца. Короткий период вращения планеты позволяет оценить полный оборот в 15-20 лет.

Масса планета составляет примерно 9 масс Юпитера; значение массы и расположение планеты объясняет наблюдаемые деформации во внутренней части диска. Это открытие, следовательно, имеет некоторое сходство с предсказанием астрономами Адамсом и Леверье в 19 веке существования планеты Нептун на основании наблюдений движения Урана.

Вместе с обнаружением планет вокруг молодых, массивных звезд Фомальгаут и HR8799, открытие β Pictoris b заставляет предположить, что супер-Юпитеры являются частым результатом формирования планет вокруг более массивных звезд. Такие планеты вызывают деформацию дисков вокруг звезд, создавая структуры, которые можно будет легко наблюдать с помощью телескопа ALMA - Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, создаваемого ESO совместно с международными партнерами.

Кроме это были получены изображения некоторых других кандидатов в экзопланеты, но все они расположены существенно дальше от своей звезды, чем β Pictoris b. Если сравнить с Солнечной системой, то все они находились бы вблизи или за пределами орбиты самой дальней планеты Нептун. Поэтому процессы формирования таких далеких планет, вероятно, будут отличаться от тех, с помощью которых происходило формирование планет в нашей Солнечной системе или β Pictoris. Последние прямые изображения экзопланет, полученные в основном с помощью VLT, иллюстрируют разнообразие планетных систем. β Pictoris b является наиболее перспективным случаем планеты, которая могла образоваться таким же образом, как и планеты-гиганты в нашей Солнечной системе.

Результатом этой работы, кроме того, является вывод о том, что газовые планеты-гиганты формируются за очень короткий срок. И наличие у звезды пылевого диска может служить веским основанием считать эту звезду обладательницей планет.

Результаты исследований опубликованы в журнале Science.