Леонид Ксанфомалити - ПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ ЗВЕЗД
Независимо от физики явления короткий период обращения, соответствующий близкому к родительской звезде положению планеты типа "горячих юпитеров", облегчает поиск возмущающего тела. Как уже говорилось, в свое время именно короткий период позволил обнаружить первую экзопланету (у звезды 51Peg).
Известен лишь один красный карлик (маленькая звезда с низкой температурой) с планетной системой. Спектральные классы звезд с найденными экзопланетами близки к солнечному, это звезды G-класса и поздних F-подклассов. Поначалу это казалось "космическим шовинизмом": почему планеты присутствуют только у тех звезд, которые подобны нашей? Но тому есть несколько объяснений. У звезд более ранних подклассов F экзопланеты пока не обнаружены, что объясняется известными ограничениями метода лучевых скоростей в отношении требований к спокойствию фотосфер звезд, но вовсе не доказанным отсутствием у них планет (динамика их фотосфер более бурная). С другой стороны, и у звезд более позднего К-класса планетных систем найдено мало. Одна из причин заключается в том, что спектр средних и поздних К-подклассов настолько насыщен спектральными линиями, что существующий метод анализа спектрограмм их звезд затруднителен.
Обнаруженные планетные системы отличаются от Солнечной тем, что массивные планеты, "юпитеры", находятся в их центральной части. Но если проследить строение спутниковых систем самого Юпитера и других гигантов в Солнечной системе, то и там можно увидеть аналогичную структуру: крупные спутники находятся близко к планете, мелкие вдалеке. Поэтому существует даже гипотеза, что какое-то редчайшее событие было причиной, которая привела к необычной структуре Солнечной системы, например сближение с нею другой звезды в период формирования планет.
Схема орбит некоторых экзопланет в сравнении с характерными расстояниями в Солнечной системе. В верхней части рисунка масштаб указан половиной большой полуоси орбиты Меркурия, в нижней – орбитами Меркурия, Венеры и Земли, Примерно выдержаны относительные размеры, звезды и орбиты.
А. Кеплеровская составляющая vAnd, создаваемая короткопериодической планетой vAndb (4,6 сут). Составляющие c u d вычтены. Сплошная линия наилучшим образом представляет обработку результатов измерений.
Б. Кеплеровская составляющая с периодом 1308 суток, создаваемая планетой vAndd. Вычтены составляющие b и с.
В. То же для планеты с периодом 241 сутки. Вычтены составляющие bud. (Из работы Батлера и др., 1999 г.)
ПЛАНЕТНАЯ СИСТЕМА υAnd И ДРУГИЕ
Поначалу удавалось обнаружить лишь одиночные планеты. Первой системой с несколькими планетами стала ипсилон Андромеды (υAnd). Первую из ее планет, υAnd b, обнаружила группа Дж. Марси в 1996 году. Они заметили, что на кеплеровскую составляющую (около 70 м/с) наложена еще одна искаженная синусоида, с периодом 4,6 суток, которая постоянно обнаруживалась в наблюдениях. Это указывало на присутствие еще одной планеты, υAnd c с массой Msini = 0,68 Мю (массы Юпитера) на низкой орбите. Оказалось, что лучевая скорость звезды υAnd за длительное время увеличивается примерно на 100 м/с, а затем на столько же уменьшается. После нескольких лет наблюдений стала видна другая правильная составляющая с периодом около 3,5 года. Отличие ее формы от синусоидальной указывает на большой эксцентриситет орбиты экзопланеты. Но после исключения составляющих с периодами 4,617 и 1308 суток остающийся разброс данных все еще примерно вдвое превышал ожидаемые ошибки. Поиск других скрытых планет вскоре позволил выявить еще один период, 241 сутки, также с большим эксцентриситетом. Массы планет, с точностью до sini, равны 0,68, 2,05 и 4,29 Мю, а большие полуоси (радиус орбиты) 0,059, 0,828 и 2,09 а. е. В Солнечной системе подобное распределение начинается с орбиты Венеры и кончается внутренней границей пояса астероидов. Поэтому систему υAnd можно было бы считать похожей на Солнечную, если бы у планет υAnd c и d не была так велика вытянутость (эксцентриситет) орбит – 0,24 и 0,31 соответственно.
Число систем, у которых обнаружено несколько планет, постоянно возрастает и в 2006 году достигло 19. Система коричневого карлика GJ 876 имеет две планеты (причем с орбитальным резонансом 2:1), ипсилон Andromedae – три планеты, 55 Cancri – четыре, причем одна из них имеет массу, близкую к массе Нептуна (около 17 масс Земли).
Массы известных внесолнечных планет лежат в пределах от примерно 0,055 до более чем 10 Мю. Свойства метода лучевых скоростей (МЛС) таковы, что во всех найденных планетных системах легче всего обнаружить весьма массивные объекты, с массами в несколько масс Юпитера, причем на низких орбитах (с коротким периодом). Лишь в последние годы техника МЛС приблизилась к порогу кеплеровских скоростей 1 м/с, благодаря чему в 2004 году были обнаружены две экзопланеты с массами около 5% массы Юпитера. Такой результат возможен только для звезд с исключительно спокойной фотосферой.
Уже в первые годы исследований было установлено, что экзопланеты делятся на две большие группы по орбитальным признакам: "горячие юпитеры" на низких круговых орбитах с радиусом орбиты менее 0,15 а. е. и периодом менее 10 суток и более массивные (главным образом) объекты на высоких орбитах с периодом меньше 10 лет. Орбиты дальних планет образуют эллипс, вытянутость которого принято характеризовать эксцентриситетом. Он оказался неожиданно большим или даже очень большим, вплоть до 0,9, что больше подходит для комет, а не для планет. Удалось установить, что планеты на низких круговых орбитах имеют сравнительно узкие пределы масс, в среднем 0,6-0,7 масс Юпитера, а тела на высоких эксцентрических орбитах различаются по массам очень значительно. Условная граница между круговыми короткопериоди ческими (несколько суток) и преимущественно эксцентрическими орбитами с периодом более 30 суток находится на расстоянии 0,15-0,16 а. е. от родительской звезды.
Распределение орбит внесолнечных планет и минимальные оценки их масс. Положение планет в кратных системах за пределами поля рисунка показано значением большой полуоси орбиты (например, вторая планета системы HD74156 имеет большую полуось орбиты 3,47 а.е.). (Из работы Кестлер, 2003 г.)
Объект HD141569. Центральная часть снимка закрыта, но края зоны хорошо видны. (Снимок Б. Смита и его коллег, наблюдения на HST, 1999 г.). Наблюдения газово-пылевых дисков неизменно показывают окружающую звезду обширную центральную зону, свободную от пыли и газа.
МИГРАЦИЯ И ЭКСЦЕНТРИСИТЕТЫ ОРБИТ
Причина своеобразного "выбора" масс планет, которые обращаются по низким круговым орбитам, лежит, по-видимому, в механизме миграции, медленного сползания планет с высоких орбит, где они образовались, на низкие, околозвездные. Явление миграции предсказывали некоторые теоретические работы, но так как в Солнечной системе все крупные планеты всегда остаются на своих орбитах и никуда не сползают, теории миграции особого значения не придавали. Но теперь миграция, направленная к центральной звезде, с орбит, находящихся в зоне формирования планет-гигантов (на расстоянии 4-5 а. е.), остается единственным логичным объяснением происхождения низкоорбитальных планет, потому что здесь им просто не из чего возникнуть. Астрономы уже обнаружили несколько десятков гигантских газово-пылевых дисков в стадии формирования планет. Обширная зона вокруг звезды, радиусом до нескольких десятков а. е., свободная от пыли и газа, в них присутствует неизменно. Плотность излучения звезды здесь настолько высока, что пылевые частицы испаряются и улетают на периферию. Поэтому ответ на первый возникающий вопрос: где находится тот материал, из которого сформировались низкоорбитальные планеты? – мог быть только один: на расстоянии орбиты Юпитера (5 а. е.). Согласно теории, миграция возникает на ранней стадии формирования звезды и планетной системы и происходит достаточно быстро. Внесолнечные планеты предлагают теоретикам столько вопросов, что впору всю теорию образования планет писать заново. А наивный вопрос: почему миграции нет в нашей Солнечной системе? – им лучше не задавать.
Благодаря высокой активности исследователей, использующих метод лучевых скоростей (МЛС), число еще не изученных звезд – кандидатов на обладание планетными системами в пределах сферы, скажем, 100 пк, быстро подходит к концу. Все это звезды из близкого солнечного окружения, а для далеких звезд МЛС не годится. Примерно полдюжины планетных систем найдено в ходе программы поиска так называемых гравитационных линз OGLE (Optical Gravitation Lensing Experiment), на расстояниях более 1000 пк. Хотя число объектов, найденных OGLE, растет, они мало что смогут дать физике внесолнечных планет, поскольку у столь далеких слабых объектов даже тип компаньона (планета-гигант, коричневый карлик или звезда малой массы) определить очень сложно.
