< Lightsail-2 показал раскрытие солнечного паруса

Система K2-146: два мини-нептуна в орбитальном резонансе 3:2

Наблюдения вариаций времени наступления транзитов позволили измерить массы обеих планет и оценить их среднюю плотность.

---

Владислава Ананьева

Согласно данным, полученным «Кеплером», самими распространенными планетами в Галактике являются мини-нептуны и суперземли – планеты с радиусами, промежуточными между радиусами Земли и Нептуна. По иронии судьбы планет такого размера в Солнечной системе нет. Состав и строение небесных тел этого размерного класса отличается удивительным разнообразием – среди них есть железокаменные планеты, массивные аналоги Меркурия и Венеры, планеты, включающие заметную долю водяного льда («супер-Ганимеды») и даже рыхлые «воздушные» планеты, окруженные протяженной водородно-гелиевой атмосферой. 

Для определения состава экзопланет необходимо измерять и их радиусы, и массы. Радиусы планет определяются по глубине транзитов, но с массами ситуация более сложная. Для измерения масс небольших планет методом лучевых скоростей необходимы высокоточные спектрографы, а родительские звезды должны быть достаточно яркими, чтобы была возможность получать их спектры высочайшего качества. К сожалению, подавляющее большинство планет «Кеплера» вращается вокруг тусклых звезд, для которых этот метод не работает. Однако если вокруг звезды вращается сразу несколько транзитных планет, близких к орбитальным резонансам низкого порядка (это значит, что их орбитальные периоды относятся друг к другу как простые целые числа), гравитационное взаимодействие таких планет приводит к заметным вариациям времени наступления транзитов (TTV). Наблюдение таких вариаций (т.н. тайминг транзитов) позволяет измерять массы планет даже у тусклых звезд. 

26 июля 2019 года в Архиве электронных препринтов появилось сразу две статьи, посвященные двухпланетной системе K2-146 – Kristine W. F. Lam (1) и Aaron Hamann (2). Тайминг транзитов позволил определить массы обеих транзитных мини-нептунов и оценить их средние плотности. Поскольку два научных коллектива изучали эту систему независимо, их результаты несколько различаются (однако согласуются друг с другом в пределах погрешностей, что прибавляет им надежности).

Звезда K2-146 (EPIC 211924657) наблюдалась во время 5-й, 16-й и 18-й наблюдательных кампаний расширенной миссии «Кеплера» K2. Это красный карлик спектрального класса M3 V, удаленный от нас на 79.31 ± 0.45 пк. Оценки массы и радиуса K2-146 немного различаются – по данным Lam с коллегами они составляют 0.358 ± 0.042 и 0.350 ± 0.035 солнечных масс и радиусов, соответственно, а по мнению Hamann и его группы – 0.331 ± 0.009 и 0.33 ± 0.01 солнечных масс и радиусов. Несколько большие оценки радиуса звезды первой группы авторов закономерно приводят к большим значениям радиусов планет.

Во время 5-й наблюдательной кампании у звезды K2-146 был обнаружен транзитный мини-нептун K2-146 b с радиусом ~2.2 радиуса Земли и орбитальным периодом 2.67 суток. Отклонения моментов наступления транзитов от строгой периодичности достигали получаса, что говорило о наличии в системе дополнительной (не транзитной) планеты. Как потом выяснилось, вторая планета была «почти транзитной» – своим краем она чуть-чуть касалась звездного диска, но в тот момент этого не заметили. К 16-й и 18-й наблюдательным кампаниям прецессия плоскости орбиты второй планеты привела ее на звездный диск, уменьшив прицельный параметр с 1 до 0.95 и увеличив глубину транзита втрое. Это позволило измерить орбитальный период (~4.0 суток) и определить, что обе планеты находятся в резонансе 3:2. 

Измерение вариаций времени наступления транзитов обеих планет на протяжении трех наблюдательных кампаний позволило определить их массы. Lam оценила массы планет K2-146 b и K2-146 c в 5.6 ± 0.7 и 7.1 ± 0.9 масс Земли, что при радиусах 2.25 ± 0.10 и 2.6 ^+1.8/_-0.4 радиусов Земли приводит к средней плотности 2.7 ± 0.5 и 2.25 ^+1.88/_-1.85 г/куб.см.

У Hamann получились близкие значения масс – 5.77 ± 0.18 и 7.49 ± 0.24 масс Земли для планет b и c, но немного меньшие радиусы – 2.05 ± 0.06 и 2.19 ± 0.07 радиусов Земли, что приводит к средним плотностям 3.69 ± 0.21 и 3.92 ± 0.27 г/куб.см, соответственно. Как мы видим, Hamann с коллегами нашли радиус второго мини-нептуна куда более определенным, чем группа Lam, а средние плотности обеих планет у них выше. Однако в любом случае эти средние плотности слишком малы, чтобы планеты системы K2-146 оказались железокаменными. Скорее всего, они обе содержат значительную долю воды и/или окружены протяженными водородно-гелиевыми атмосферами.

---