Открытия и исследования экзопланет

[vika vorobyeva]

С помощью ESPRESSO уточнили массы планет в системе GJ 9827:
https://arxiv.org/pdf/2401.06276.pdf

Массы планет b, c и d теперь составляют 4.28 ± 0.35, 1.86 ± 0.38 и 3.02 ± 0.58 масс Земли при радиусах 1.44 ± 0.09, 1.13 ± 0.07 и 1.89 ± 0.16 радиусов Земли, соответственно. Все три планеты горячее Меркурия. Две внутренние планеты – суперземли (их средняя плотность превышает среднюю плотность Земли), третья внешняя – мини-нептун.

[vika vorobyeva]

Методом лучевых скоростей открыли еще 2 планеты в системе HD 134606, теперь их 5:
https://arxiv.org/pdf/2401.17415.pdf

Систему представили в 2011 году. На основании 113 измерений лучевой скорости, полученных HARPS, авторы открыли мини-нептун b с периодом 12.08 суток и минимальной массой 9.3 масс Земли, нептун c с периодом 59.5 суток и минимальной массой 12.1 масс Земли, и эксцентричный легкий газовый гигант d с периодом 459 суток и минимальной массой 0.121 масс Юпитера.
Авторы продолжили другая группа товарищей продолжила измерять лучевые скорости родительской звезды и довели количество замеров до 219, полное время наблюдений составило 4677 суток или 12.8 лет. В результате они обнаружили еще две планеты и сильно пересмотрели параметры внешнего гиганта (его орбитальный период оказался в 2 раза больше, а эксцентриситет в несколько раз уменьшился). Теперь система выглядит так:
– новая суперземля e с орбитальным периодом 4.3203 ± 0.0005 суток, минимальной массой 2.34 ± 0.35 масс Земли и эксцентриситетом 0.20 ± 0.05.
– мини-нептун b с орбитальным периодом 12.089 ± 0.002 суток, минимальной массой 9.09 ± 0.64 масс Земли и эксцентриситетом 0.09 ± 0.05.
– новый мини-нептун f с орбитальным периодом 26.915 ± 0.016 суток, минимальной массой 5.63 ± 0.72 масс Земли и эксцентриситетом 0.08 ± 0.10.
– нептун c с орбитальным периодом 58.88 ± 0.04 суток, минимальной массой 11.3 ± 1.0 масс Земли и эксцентриситетом 0.055 ± 0.06.
– газовый гигант d с орбитальным периодом 966 ± 7 суток, минимальной массой 44.8 ± 2.9 масс Земли и эксцентриситетом 0.09 ± 0.045.
Кроме того, лучевая скорость звезды демонстрирует дополнительный линейный дрейф, что говорит о наличии еще одного тела на очень широкой орбите.

[vika vorobyeva]

Тот объект, что дает наблюдаемый дрейф лучевой скорости, вполне может быть массивным газовым гигантом.

[vika vorobyeva]

Смотрю параметры звезды в Таблице 2.
Эффективная температура 3034 ± 45 К – выше, чем у предшественников (2904 ± 51 К). Радиус звезды 0.120 ± 0.012 солнечных радиусов – больше, чем у предшественников (0.107 ± 0.004 солнечных радиусов). При этом светимость внезапно оказалась меньше (72.2·10^-5 против 73·10^-5 солнечных светимостей). У предшественников значение светимости согласуется с законом Стефана-Больцмана, а в новой статье нет. Или светимость звезды больше, чем заявлено, или температура поверхности меньше, и/или радиус звезды.
Впрочем, это черновик. Надеюсь, рецензенты отловят эту ошибку.

[vika vorobyeva]

С помощью "Гайи" и ESPRESSO уточнили массы экзопланет в системе K2-106: https://arxiv.org/pdf/2402.09322.pdf

Система K2-106 была представлена в 2017 году. Она включает в себя две транзитные планеты – суперземлю и мини-нептун, причем суперземля имеет ультракороткий период 0.5713 суток.
За прошедшие годы эту систему наблюдало множество научных групп, так что параметры родительской звезды и планет неоднократно менялись. Радиус планеты b принимал значения от 1.46 ± 0.14 до 2.31 ± 0.16 радиусов Земли, масса – от 7.7 ± 0.8 до 9.0 ± 1.6 масс Земли. Разброс мнений о радиусе планет был вызван разными оценками радиуса звезды, который оценивали от 0.83 до 1.04 солнечных радиусов. Чтобы внести ясность в этом вопросе, авторы новой работы вычислили расстояние до звезды с помощью параллакса, измеренного "Гайей", и получили 23 измерения лучевой скорости K2-106 на спектрографе ESPRESSO.
В итоге радиус планеты b оказался равным 1.68 ± 0.04 радиусов Земли, масса – 7.8 ± 0.7 масс Земли, что приводит к средней плотности 9.1 ± 1.0 г/куб.см. Средняя плотность соответствует железокаменному составу. Планета вращается на расстоянии 2.855 ± 0.07 звездных радиусов! Эффективная температура 2299 ± 36 К, натуральная капля лавы
Радиус планеты c равен 2.84 ± 0.10 радиусов Земли, масса 7.3 ± 2.5 масс Земли, средняя плотность 1.72 ^+0.66/_-0.58 г/куб.см, эффективная температура 804 ± 13 К.

[vika vorobyeva]

С помощью наблюдения эффекта Росситера-МакЛафлина измерено наклонение плоскости орбиты к оси вращения звезды у шести горячих юпитеров WASP-77 A b, WASP-101 b, WASP-103 b, WASP-105 b, WASP-120 b и WASP-131 b: https://arxiv.org/pdf/2403.15631.pdf

WASP-131 b оказался на ретроградной орбите: проекция наклонения на небесную сферу lambda = 161 ± 5°.
Орбита WASP-101 b заметно наклонена: lambda = 34 ± 3°.
Остальные четыре планеты вращаются примерно в плоскости своей звезды:
У WASP-77 A b lambda = -8 ± 19°,
у WASP-103 b lambda = 2 ± 36°,
у WASP-105 b lambda = -14 ± 28°,
у WASP-120 b lambda = -2 ± 4°.
Впрочем, проекция наклонения может быть небольшой, а сам трехмерный угол – весьма приличным. Так, для WASP-77 A b удалось определить наклонение к лучу зрения оси вращения звезды (42 ± 12°), отсюда трехмерный угол наклонения плоскости орбиты к оси вращения звезды составил 48 ± 22°.

Также авторы попытались получить трансмиссионные спектры всех шести планет, но те оказались плоскими из-за наличия высотной дымки.

[vika vorobyeva]

В системе HD 104067 открыли еще две планеты: https://arxiv.org/pdf/2403.17062.pdf

Первую планету – легкий газовый гигант b – представили еще в 2009 году. По последним данным, орбитальный период планеты b составляет 55.85 ± 0.02 суток, большая полуось орбиты 0.267 ± 0.003 а.е., эксцентриситет 0.12 ± 0.05, минимальная масса 62.1 ± 3.3 масс Земли (0.195 ± 0.01 масс Юпитера), температурный режим близок к температурному режиму Меркурия.
С тех пор было получено много новых измерений лучевой скорости звезды, а также звезду наблюдала TESS. В итоге были обнаружены еще две планеты, обе на внутренних относительно планеты b орбитах.
HD 104067 c – нептун минимальной массы 13.2 ± 1.9 масс Земли с орбитальным периодом 13.899 ± 0.004 суток. Эксцентриситет выглядит немаленьким, но пока плохо определенным – 0.29 ± 0.13. Большая полуось орбиты 0.1058 ± 0.0013 а.е.
HD 104067 d расположена еще ближе к звезде, и эта планета оказалась транзитной. Период  2.15382 ± 0.000004 суток, радиус 1.30 ± 0.12 радиусов Земли, масса пока неизвестна. Авторы нашли, что гравитационное влияние двух внешних планет должно сильно возмущать ее движение, так что рассеяние приливной энергии будет приводить к дополнительному энерговыделению. По мнению авторов, планета d должна быть горячим и массивным аналогом Ио, а возможно, и сплошным лавовым океаном с температурой 2600 К.

[vika vorobyeva]

Измерив эффект Росситера-МакЛафлина, определили наклонение плоскости орбиты легкого газового гиганта TOI-5398 b к звездному экватору:
https://arxiv.org/pdf/2404.02969.pdf
Проекция наклонения на небесную сферу lambda = 3.0 ^+6.8/_-4.2°. Оценив наклон оси вращения звезды к лучу зрения, авторы смогли определить и полный (трехмерный) угол наклонения psi = 13.2 ± 8.2°. Другими словами, орбита планеты TOI-5398 b мало наклонена к экватору звезды.

[vika vorobyeva]

Астрометрия как метод поиска экзопланет – метод давний, но несчастливый. С помощью астрометрии было открыто, а потом закрыто множество планет-глюков, из которых самыми известными стали три планеты у звезды Барнарда. В Экзопланетном архиве НАСА только для 3 из 5602 подтвержденных планет в качестве метода обнаружения указана астрометрия. Проблема состоит в необходимой точности определения положения звезды на небесной сфере, которая должна быть на уровне единиц, максимум десятков микросекунд дуги.
Определенные надежды возлагаются на "Гайю", но придется ждать релиза DR5, который выпустят предположительно в 2028 году.

Однако сегодня неожиданно (для меня) вышла статья об открытии с помощью наземной(!) астрометрии планеты у близкой пары красных карликов GJ 65 AB:
https://arxiv.org/pdf/2404.08746.pdf
Насколько я поняла, авторы воспользовались интерферометром VLTI из двух 8-метровых телескопов и инструментом (или методикой, тут я не поняла) GRAVITY. С 2016 по 2023 год они наблюдали пару красных карликов GJ 65 AB, удаленных от нас всего на 2.67 пк, точно измеряя угловое расстояние между компонентами. Компоненты – две почти одинаковые маломассивные звезды массами 0.122 ± 0.002 и 0.116 ± 0.002 солнечных масс, вращающихся вокруг барицентра системы с периодом 26.38 лет. Большая полуось орбиты – 5.459 ± 0.002 а.е., эксцентриситет 0.6172 ± 0.0001, наклонение 128°. Несмотря на близость к Солнцу, у этой пары никогда всерьез не искали RV-планеты из-за вспышечной активности обоих компонентов, ограничивающей точность измерений лучевых скоростей.
"Гайя" тоже наблюдала GJ 65 AB и нашла там некий "астрометрический шум" – отклонения от точного кеплеровского эллипса, которые могли быть вызваны наличием третьего тела.
По наблюдениям авторов на VLTI угловое расстояние между A и B испытывает небольшие колебания с периодом 156 ± 1 суток. Авторы пришли к выводу, что вокруг одной из звезд вращается планета. Пока непонятно, вокруг какого именно компонента она вращается, поэтому авторы сделали расчеты для обеих звезд. Если планета вращается вокруг компонента A, ее масса 39 ± 7 масс Земли, большая полуось орбиты 0.283 ± 0.002 а.е., эксцентриситет 0.33 ± 0.30. Если планета вращается вокруг компонента B, ее масса 36 ± 6 масс Земли, большая полуось орбиты  0.274 ± 0.002 а.е., эксцентриситет 0.27 ± 0.21.
Судя по измеренной массе, это или тяжелый нептун, или легкий газовый гигант.
Планета такой массы должна наводить колебания лучевой скорости с амплитудой ~20 м/с. Теперь, я думаю, звезды плотно помониторят, чтобы подтвердить или опровергнуть наличие этой планеты и уточнить, вокруг какого именно компонента она вращается.

[vika vorobyeva]

Строго говоря, экзопланеты пытаются искать уже сейчас, опираясь на DR3, другое дело, что выхлоп пока небольшой. Англовики пишет, что DR4 будет содержать данные за первые 5 лет работы миссии, а DR5 – данные за все время работы, и точность DR5 будет в 1.4 раза лучше, чем DR4. Наверняка какое-то количество массивных гигантов откроют и с DR4, но с DR5 их будет гораздо больше.

[vika vorobyeva]

По ссылке, которую привёл Goodricke, в DR4 входит "An exo-planet list".

Не знала, спасибо.
Так даже лучше – меньше ждать

[vika vorobyeva]

Совместными усилиями (Gaia, TESS, ChEOPS и 156 архивных измерений лучевой скорости) уточнены параметры планет в системе TOI-421:
https://arxiv.org/pdf/2404.11074.pdf

К настоящему моменту там известны две планеты – мини-нептун c и большой нептун b с периодами 5.19758 и 16.06754 суток.
Масса и радиус внутренней планеты c уточнили до 6.7 ± 0.6 масс Земли и 2.64 ± 0.08 радиусов Земли (было 7.05 ± 0.71 масс Земли и 2.72 ± 0.19 радиусов Земли), эксцентриситет орбиты 0.13 ± 0.05 (было 0.15 ± 0.09).
Массу и радиус внешней планеты b уточнили до 14.1 ± 1.4 масс Земли и 5.09 ± 0.07 радиусов Земли (было 16.2 ± 1.1 масс Земли и 5.17 ± 0.13 радиусов Земли), эксцентриситет орбиты 0.19 ± 0.04 (было 0.15 ± 0.05).
В принципе, действительно уточнили, все новые/старые величины согласуются в пределах погрешностей.

[vika vorobyeva]

Обычно считается, что молодые планеты активно теряют первичную атмосферу, а с возрастом этот процесс замедляется. Однако авторы сегодняшней статьи с этим не согласны. Они провели наблюдения транзитов 20 планет в линиях водорода (Halfa) и гелия, и собрали из литературы список наблюдений 70 таких планет. Как оказалось, признаки истечения атмосфер (увеличенные радиусы планет в линиях атомарного водорода и гелия) встречаются у звезд возрастом 0.1-1 млрд. лет не чаще, чем в более старых системах:
https://arxiv.org/pdf/2404.16732
Авторы наблюдали не только горячие юпитеры, но и горячие нептуны и даже мини-нептуны (например, HD 73583 b и c).

[vika vorobyeva]

А разве может быть иначе, когда планета на 98% состоит из водорода!?

Речь в статье шла не только о горячих юпитерах, но и о мини-нептунах с содержанием водорода 0.1-1%, который в результате фотоиспарения может улетучиться практически полностью. Кроме того, считается, что молодые звезды гораздо активнее старых – они быстрее вращаются, на них больше пятен, вспышек, корональных выбросов, в их излучении выше доля экстремального ультрафиолета. Поэтому темпы потери атмосфер планет у молодых звезд должны быть гораздо больше, чем у старых.
Но, возможно, полноценный этап "бури и натиска" проходит в первые 100 млн. лет, а затем звезда успокаивается.

[vika vorobyeva]

Закрывается планета HD 26965 b (40 Эридана b или Вулкан): https://arxiv.org/pdf/2404.17494

Планета была открыта методом лучевых скоростей в 2018 году на спектрографе TOU, установленном на обсерватории Файрборн. Еще первооткрыватели признавали, что период обращения планеты близок к периоду вращения звезды, но считали, что им удалось учесть влияние звездной активности. Однако в новой статье показано, что колебания лучевой скорости родительской звезды полностью объясняются звездной активностью, а планеты b с заявленными параметрами не существует. (Авторы получили 63 измерения на более точном спектрографе NEID и нашли четкую корреляцию между ними и звездной активностью.)

К сожалению, метод лучевых скоростей как непрямой метод поиска планет чреват подобными ситуациями.

[vika vorobyeva]

Уже не первое закрытие:

Пропустила это сообщение, спасибо!
Ну тогда тем более планета не жилец

[vika vorobyeva]

Горячие юпитеры и нептуны, думаю, вообще не могут содержать знАчимое количества водорода и гелия.

Если у вас планета со средней плотностью 0.3 г/куб.см, ни из чего другого, кроме как из водорода и гелия, она не может состоять.
Почитайте статью о моделировании радиусов планет разного химического состава: https://iopscience.iop.org/article/10.1086/521346
Зная среднюю плотность, не всегда, но очень часто можно делать выводы и о химическом составе.

[vika vorobyeva]

Два китайца провели фотодинамический анализ двухпланетной системы P-типа TOI-1338 (BEBOP-1):
https://arxiv.org/pdf/2404.18415

Напомню, что это первая циркумбинарная планетная система, обнаруженная TESS. В ней обе известные планеты вращаются вокруг пары F+M звезд как целого. Внутренняя планета – транзитная, ее радиус 7.11 ± 0.17 радиусов Земли, орбитальный период 95.174 суток, масса не превышает 21.8 масс Земли. Внешняя планета – не транзитная, ее минимальная масса 0.205 масс Юпитера, а орбитальный период равен 215.5 суток.

Ван и Лью (Mu-Tian Wang и Hui-Gen Liu) построили динамическую модель системы, включающую гравитационное взаимодействие всех четырех тел. Они подбирали массы и наклонения орбит компонентов так, чтобы максимально точно воспроизвести как кривую блеска, так и измерения лучевой скорости родительской звезды, полученные ESPRESSO.
У них получилось:
1. Масса планеты b равна 11.3 ± 2.1 масс Земли, а радиус 7.66 ± 0.05 радиусов Земли, что приводит к средней плотности 0.137 ± 0.026 г/куб.см. Ее орбита лежит почти точно в плоскости орбиты двойной системы, взаимное наклонение всего 0.12°. Если учитывать еще и измерения лучевой скорости, полученные HARPS, которые не очень-то согласуются с данными ESPRESSO, масса планеты окажется еще ниже – 6.5 ± 1.9 масс Земли. Т.е. в любом случае перед нами очень рыхлый и воздушный мини-нептун.
2. Масса планеты c равна 75.4 ± 4.0 масс Земли (0.237 ± 0.013 масс Юпитера). Наклонение орбиты к лучу зрения 97 ± 6.8°, т.е. и внешняя планета мало наклонена к плоскости двойной звезды (на 9.1 ^+6.0/_-4.8°). Если учитывать измерения HARPS, то масса внешней планеты составит 64.6 ± 2.8 масс Земли. В любом случае это легкий газовый гигант.
Звезда достаточно яркая (+10.95 в полосе J), что делает планету b удобной целью для JWST.

[vika vorobyeva]

В последние годы активно обсуждается система TRAPPIST-1. С одной стороны, она чрезвычайно удобна для трансмиссионной спектроскопии (система достаточно близкая, маленький диск звезды, транзитная конфигурация семи планет с разной степенью нагрева). С другой – это система очень легкого карлика с высокой степенью активности, который провел на стадии протозвезды около миллиарда лет. Многие приходят к выводу, что даже у планет этой системы, формально попадающих в обитаемую зону, атмосфера и вода давно утрачены.
Группа товарищей решила посчитать, а сколько же воды могло улетучиться с планет TRAPPIST-1. Они моделировали эволюцию родительской звезды с помощью кода STELLAR из пакета VPLanet. Атмосферы планет считали состоящими из водяного пара без дальнейшего пополнения из недр (никакой вулканической активности) и без стока кислорода. Начальное количество воды на планетах считалось случайным в диапазоне 1-500 земных океанов. Это, конечно, сильно упрощает модели и уводит их от реальности, в которой и вулканы будут извергаться, и кислород поглощаться неокисленным веществом. В общем, получилась такая оценка сверху.
Всего авторы рассчитали около 700 тысяч различных вариантов моделей, варьируя как начальное количество воды, так и параметры планет в рамках существующих погрешностей.
Водород, получившийся в результате фотодиссоциации водяного пара, улетучивался. Кислород тоже улетучивался, но гораздо медленнее, поэтому на выходе получались как планеты, лишенные атмосферы, так и планеты с кислородными атмосферами. Например, при начальном количестве воды, равном 1 земному океану (ЗО), в 19% случаев планета b оказывалась без атмосферы, планета c – в 2% случаев, планета d - в 2.5% случаев. Но при повышении начального содержания воды до 5 ЗО количество безатмосферных планет падало ниже 1%.
По расчетам авторов, планеты теряли воду и накапливали кислородную атмосферу (максимальные значения):
e – 8.0 ^+1.3/_-0.9 ЗО, 1290 ± 75 атмосфер;
f – 4.8 ± 0.6 ЗО, 800 ± 40 атм.;
g – 3.4 ± 0.3 ЗО, 560 ± 30 атм.;
h – 0.8 ± 0.2 ЗО, 90 ± 10 атм.
В целом, если подводить итоги, то наличие и плотность атмосферы в настоящее время обусловлены начальным количеством воды.

Авторы попытались погадать на кофейной гуще оценить начальное количество воды на планетах TRAPPIST-1, исходя из следующих соображений. Судя по наблюдениям JWST, планета b лишена атмосферы, а планета c имеет неплотную (~0.1 бар кислорода) атмосферу (во всяком случае, атмосфера любого состава с давлением у поверхности больше 10 бар исключена на уровне 3 сигма). Чтобы вписаться в такой расклад, начальное количество воды на планетах b и c должно быть равным 8.2 ^+1.5/_-1.0 ЗО.
Еще авторы пишут, что 135 бар кислорода в миллиард лет связывается неокисленными горными породами на Земле, еще 3 ЗО растворится в магме, а 100 бар может улетучиться из атмосферы благодаря нетепловым процессам. По итогу, у внешних планет есть хорошие шансы таки иметь атмосферу, возможно, даже кислородную.

Оригинал: https://arxiv.org/pdf/2405.02401

[vika vorobyeva]

Но дело в том, что атмосферы планет (не у гигантов) - продукт дегазации первичного вещества при эволюции в недрах. И тут важно, холодное (-100°С) или тёплое (больше 0°С) оно было. С тёплым никакой атмосферы не получится изначально.

Не очень понятно, как избежать аналога Поздней тяжелой бомбардировки, когда на почти сформировавшиеся железокаменные планеты валятся ядра комет и/или аналоги углистых хондритов, в которых хватает воды и углерода (из которых потом получается углекислый газ). Помимо азота, в состав атмосферы еще может входить достаточно тяжелый аргон-40, который, по-моему, вообще никто не учитывает. При обилии серы и недостатке воды в атмосфере еще может быть сернистый газ.
Главная идея статьи о планетах TRAPPIST-1, как мне кажется – это ограничения на темпы потери воды и наработку кислорода. Если планеты изначально собрали по 8-10 земных океанов, атмосфера у них сохранится и по сей день. Какая – вопрос к наблюдателям.