Почему экзопланеты гиганты находятся в несколько раз ближе снеговой линии?

[Klapaucius]

Тут от метода ещё зависит, например транзиты сами по себе редкость - надо чтобы плоскость совпала с направлением на Солнце. Но вряд ли это мешает Статистике, Великой и Беспощадной.

Возможно, чем ближе планета к звезде, тем большую долю своей орбиты будет находится на фоне звезды и тем больше вероятность её обнаружения.

Конечно. Например для транзита раз в несколько суток или даже часов гораздо вероятнее обнаружить планету, чем раз в несколько лет. То же касается и метода Доплера, чем ближе планета тем сильнее "колышет" звезду.

[Klapaucius]

Поскольку охлаждение через излучение связано с непрозрачностью, это условие определяет предел непрозрачности фрагментации, который переводится в минимальную массу

Мне тоже не понятно о чём речь. Имеем облако газа с некоей начальной температурой (откуда она взялась?), облако излучает и поглощает. И какая связь этого с гравитационным взаимодействием? Гравитация действует и на быстро летящие молекулы и на медленно летящие.

Стоит ещё помнить, что процесс звездообразования редко единичен. Последние миллиарды лет так заведено, что звёзды образуются в рассеянных скоплениях разных размеров. И потом разлетаются (половина всех звёзд вообще двойные, бывают и большей кратности). Насчёт перескока планет туда-сюда (а не только рассеяния подобно звёздам при формировании планетных систем) в первоначальный период не в курсе, но возможно что вероятность не околонулевая.

[vika vorobyeva]

На данный момент чуть больше 95% всех экзопланет открыто двумя методами – транзитным и методом лучевых скоростей. И оба эти метода привносят наблюдательную селекцию, каждый свою.
1. Транзитный метод.
Грубо, вероятность транзитной конфигурации равна отношению радиуса звезды к радиусу орбиты планеты, R_star/a. Это означает, что метод чувствителен только к планетам на тесных орбитах. Для типичного горячего юпитера эта вероятность равна 10%, для планеты на условно земной орбите – чуть меньше 0.5%, для Юпитера меньше 0.1%. Это с одной стороны. С другой – глубина транзита грубо равна квадрату отношения радиусов планеты и звезды, (R_pl/R_star)². Для горячего юпитера на фоне солнечного диска эта величина ~1%, для Нептуна ~0.13%, для Земли 0.0084%. При этом при наблюдениях с Земли очень мелкие транзиты замываются атмосферой и остаются не обнаруженными. В итоге наземные транзитные обзоры оказываются оптимизированы под поиск горячих юпитеров и выгребают именно их. В реальности распространенность горячих юпитеров – 0.5-1% на одну FGK звезду, но существующие каталоги (в том числе Экзопланетный архив НАСА) забиты ими под завязку.
2. Метод лучевых скоростей.
Менее чувствителен к наклонению орбиты планеты, позволяет находить прохладные гиганты на расстоянии порядка нескольких а.е. Но для этого метода есть свои нюансы. Во-первых, нам нужно точно измерять лучевую скорость звезды на протяжении нескольких лет. Если планета делает один оборот за 12 лет, а мы наблюдали звезду 2 года, очевидно, планету мы не обнаружим, надо наблюдать ее хотя бы половину периода. Точные спектрографы появились только 15-20 лет назад, и измеряют они лучевые скорости только отдельно выбранных звезд, а не всех подряд, поэтому планеты с периодами больше 30 лет в массе своей остаются не обнаруженными.
Планеты малых масс вызывают колебания лучевой скорости звезды малой амплитуды. Юпитер наводит на Солнце колебания с полуамплитудой ~13 м/с, Сатурн 2.7 м/с, а Земля 0.09 м/с. Земля до сих пор находится под порогом обнаружимости, Сатурн на грани.
Еще один нюанс. Метод лучевых скоростей позволяет измерять не истинную массу планеты m, а проективную m sin i, где i – наклонение нормали к плоскости орбиты к лучу зрения. При неудачной ориентации орбиты ("плашмя") проективная масса может оказаться в несколько раз меньше истинной, и мы не увидим планету, поскольку она наводит на свою звезду колебания лучевой скорости слишком малой амплитуды.
Поэтому ответ такой. Большинство планет-гигантов находится в районе снеговой линии. И только некоторые из них в процессе миграции попадают внутрь своей системы и приближаются к своим звездам вплоть до превращения в горячий юпитер. Но близкие к звезде гиганты мы видим хорошо, а далекие – видим очень плохо, отсюда и перекос.

[Klapaucius]

Вика, спасибо, лучше не сказать!

Поэтому ответ такой. Большинство планет-гигантов находится в районе снеговой линии. И только некоторые из них в процессе миграции попадают внутрь своей системы и приближаются к своим звездам вплоть до превращения в горячий юпитер. Но близкие к звезде гиганты мы видим хорошо, а далекие – видим очень плохо, отсюда и перекос.

А Вы уверены что в процессе миграции? Ведь тут уже обсуждали, что крупные экзопланеты могут образоваться и так, подобно звёздам. А двойных звёзд, даже тесных, полно. Так что эти 0,5-1% горячих юпитеров на FGK звезду не могут ли быть той же природы? Некоторые, понятное дело, похудали за миллиарды лет из-за близости со звездой.

По-моему существовала некая "дыра" с коричневыми карликами, ещё лет 30 а то и 60 назад заметили. Но возможно это надумано, наблюдательная селекция тех времён.

[Olweg]

Поэтому ответ такой. Большинство планет-гигантов находится в районе снеговой линии.

Я бы всё-таки подождал результатов Gaia. Даст бог, года через три выложат DR4, где будут данные по долгопериодичным экзопланетам, прежде всего у ближайших звёзд. Пока же, насколько я знаю, нет свидетельств в пользу концентрации планет у снеговой линии.

[Klapaucius]

И это. Термин FGK звёзды хоть и понравился, но всё же разве не GKM правильнее? Много ли вообще экзопланет было обнаружено у звёзд класса F? Если и было что-то, на порядки меньше чему класса M.

p.s. Про Фомальгаут помню.

p.p.s.

Я бы всё-таки подождал результатов Gaia.

Да. Все ждём.

[LeMay]

Я бы всё-таки подождал результатов Gaia. Даст бог, года через три выложат DR4, где будут данные по долгопериодичным экзопланетам, прежде всего у ближайших звёзд. Пока же, насколько я знаю, нет свидетельств в пользу концентрации планет у снеговой линии.

  Кое-что будет уже в DR3 в конце этого года.
  https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/iow_20220131

[Goodricke]

Кое-что будет уже в DR3 в конце этого года.

Gaia DR3: ожидается во втором квартале (апрель-июнь) 2022 г.
https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/release

[Olweg]

  Кое-что будет уже в DR3 в конце этого года.
  https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/iow_20220131

“Небольшая закуска к более крупной выборке астрометрических орбит, которая будет выпущена в Gaia DR3.” Звучит многообещающе , спасибо за ссылку.

[Olweg]

Решил сейчас поискать статьи про аналоги Юпитера, наткнулся на очень интересный анализ:
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaafca

Аналоги Юпитера вращаются вокруг звёзд с солнечной металличностью

Авторы определяют аналог Юпитера как планету с массой от 0.3 до 3.0 Mj, низким эксцентриситетом (<0.25) и с инсоляцией меньше четверти земной, что в Солнечной системе соответствует 2 ае. При этом авторы пишут, что 2 ае - это область за снеговой линией в протопланетном диске возрастом несколько млн лет.

В итоге они отобрали 20 аналогов Юпитера (АЮ) и ещё 17 эксцентрических холодных юпитера (ЭЮ) с теми же параметрами, но с e>0.25. Кроме того, они рассмотрели 28 систем с горячими юпитерами (ГЮ). Результат - на рисунке. Синее - АЮ, зелёное - ЭЮ, красное - ГЮ.



В результате выясняется, что у звёзд с эксцентрическими гигантами примерно такая же средняя металличность (+0.23), как и звёзд с горячими юпитерами (+0.25)! И она гораздо выше, чем у звёзд с аналогами Юпитера (-0.07). Авторы приходят к выводу, что виновато гравитационное рассеяние между планетами-гигантами, которых у более металличных звёзд формируется больше.

Также авторы отмечают, что у «тёплых» слабоэксцентричных юпитеров (инсоляция от 0.25 до 10 земных) звёзды имеют металличность, промежуточную между звёздами с холодными и горячими юпитерами.

[Olweg]

В своё время проводил похожий анализ Конечно, на меньшей выборке:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,28857.msg622417.html#msg622417

Но к выводам пришёл аналогичным:

Основной вывод: солнечные системы с высокой вероятностью образуются у звезд с солнечной металличностью.
У звезд с высоким содержанием тяжелых элементов формируется плотный диск, в котором (1) образуется много тяжелых планет, возмущающих друг друга => эллиптичные орбиты, (2) эффективно происходит миграция (тип II) => горячие и «переходные» юпитеры и, опять же, взаимные возмущения и высокие эксцентриситеты. У слабометалличных звезд образуются планеты типа Нептуна со слабой (относительно, конечно) газовой оболочкой. Миграция в таких системах проходит по другому механизму (тип I). Насколько часто она происходит, сказать пока невозможно.

[vika vorobyeva]

А Вы уверены что в процессе миграции? Ведь тут уже обсуждали, что крупные экзопланеты могут образоваться и так, подобно звёздам.

На сегодняшний момент существуют две проработанные гипотезы образования планет-гигантов: гравитационная неустойчивость в протопланетном диске и аккреция на ядро. При типичных параметрах газа в наблюдаемых протопланетных дисках планеты, образующиеся первым способом, должны быть массивны и находиться на широких орбитах. Я видела оценки минимально возможной массы планеты, сформировавшейся путем гравитационной неустойчивости, в 2 и 4 массы Юпитера (у разных авторов). Близко от звезды просто нет столько газа. Почти наверняка некоторое количество газовых гигантов именно так и образовалось.
Но большинство гигантов, скорее всего, образовалось через аккрецию на ядро, и высокая металличность звезд, имеющих газовые гиганты, это подтверждает. В этом сценарии сначала из пыли формируется планетный эмбрион массой порядка 10 масс Земли, а потом на него начинает очень быстро натягиваться газ из диска. А где скорее всего образуется планетный эмбрион? Как раз на снеговой линии, где из-за конденсации водяного льда скачком в несколько раз возрастает плотность пыли. Это, разумеется, не означает, что гиганты образуются ТОЛЬКО на снеговой линии и ни шагом в стороне, просто именно там условия для формирования наиболее благоприятны.
Ну а после формирования уже начинается миграция (причем не только внутрь, но и наружу), всякого рода динамические взаимодействия и прочая эволюция.

Термин FGK звёзды хоть и понравился, но всё же разве не GKM правильнее?

Распространенность горячих юпитеров считалась по данным "Кеплера", целевыми звездами которого были солнцеподобные (т.е. как раз FGK) звезды. У красных карликов горячих юпитеров (и газовых гигантов вообще) еще в несколько раз меньше, поскольку в среднем менее массивная звезда будет иметь и менее массивный протопланетный диск. Хотя эта зависимость не строгая, есть исключения, просто они реже встречаются.

[Инопланетянин]

Ну и не будем забывать о вашей старой теме, Вика.
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,110228.0.html

[равлик]

Большинство планет-гигантов находится в районе снеговой линии. И только некоторые из них в процессе миграции попадают внутрь своей системы и приближаются к своим звездам вплоть до превращения в горячий юпитер. Но близкие к звезде гиганты мы видим хорошо, а далекие – видим очень плохо, отсюда и перекос.

Есть ли где оценки какая доля планет мигрирует, чтобы сравнить её с долей звёзд у которых обнаружены горячие Юпитеры? Чтобы в итоге сделать вывод у какой доли звёзд есть планетные системы, подобные нашей: с гигантами за снеговой линией и камнями в зоне жизни. На первый взгляд создаётся впечатление, что каменные планеты в зоне жизни должны быть нормой, а не случайностью.

[Mercury127]

вот когда у нас появятся транснептуновые километровые телескопы, тогда и выясним, норма это, или нет.

[равлик]

Исправил рисунок зависимости температуры обнаруженных экзопланет от их массы с включением всех строк их таблицы.


И ещё зависимость температуры экзопланеты от расстояния до Солнца, чтобы наглядно показать ограничения инструментов (о чем написано выше): более далёкие от нас экзопланеты в среднем горячее ближних, так как инструменты реже видят холодные экзопланеты.