Открытия и исследования экзопланет

[vika vorobyeva]

Сегодня в Архиве появилась статья, в которой обсуждается устойчивость климата потенциально обитаемых планет вблизи внешнего края обитаемой зоны. Авторы проводят моделирование карбонатно-силикатного цикла (обратимого превращения силикатов в карбонаты с поглощением атмосферного углекислого газа) при разных уровнях давления углекислоты и разного уровня освещенности, и показывают, что этот цикл неустойчив. Они пришли к выводу о наличии "запрещенной зоны", охватывающей давления приблизительно от 1 до 4 атмосфер углекислоты и освещенности 675-1000 Вт/кв.м. Попадая туда, климат планеты скатывается или к состоянию планеты-снежка с низким уровнем углекислого газа, или разгоняет парниковый эффект, и планета становится горячей с высоким содержанием углекислого газа (венерируется).
https://arxiv.org/pdf/2405.05396

У меня не хватает квалификации проверить их расчеты. Если они правы, это существенно сужает обитаемую зону и уменьшает количество планет, в нее попадающих.
Под обитаемой зоной понимается наличие океанов с открытой поверхностью, а не наличие/отсутствие жизни. Так-то пока не исключено наличие микробной жизни подо льдом Европы и Энцелада.

[vika vorobyeva]

А вот здесь интересно, что именно к этому приводит. Почему цикл по удалению углекислого газа перестает работать.

Он не перестает работать. Но авторы нашли, что скорость связывания углекислоты немонотонно меняется с ростом количества углекислоты: при малых количествах CO₂ она растет, при больших падает. Поэтому при малых количествах CO₂ обратная связь отрицательная, как и должно быть при устойчивом состоянии климата: большее количество углекислоты быстрее связывается. Но при большом количестве углекислоты чем ее больше, тем она связывается медленнее, и обратная связь становится положительной. Т.е. при повышении температуры силикатно-карбонатное равновесие смещается в сторону разрушения карбонатов и выделения углекислоты, что приводит к еще большему повышению температуры и разгону парникового эффекта.
Я почитала статью более внимательно. Авторы моделируют только породы суши, не учитывают влияние химических реакций на дне океана (они обещают сделать это в следующих работах), а также пренебрегают наличием водяных облаков. Все это делает их результаты предварительными. Однако они обращают внимание на возможные петли гистерезиса при изучении климата – при одном и том же уровне освещенности возможно два устойчивых состояния климата – холодный и жаркий.

Ну и я бы подождала наблюдательных данных прежде, чем делать категоричные выводы. Потому что модели моделями, а реальность реальностью. Климат – очень сложная система, всегда можно не учесть какой-нибудь незначительный фактор, который тем не менее сыграет свою роль.

[vika vorobyeva]

Уважаемые коллеги! У кого-нибудь есть доступ к статье об открытии землеразмерной планеты у ультрахолодного карлика SPECULOOS-3?
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02271-2
Sci-hub не помог
По-русски об этом написал портал N+1 (https://nplus1.ru/news/2024/05/15/speculoos-3-b), но хотелось бы оригинальную статью почитать. Можно в личку.

[vika vorobyeva]

Вчера в Архиве появилась статья об измерении наклонения плоскости орбиты к экватору звезды мини-нептуна HD 110067 c:
https://arxiv.org/pdf/2405.12409

Наклонение (точнее, его проекция на небесную сферу) мало, lambda = 6 ± 26°.

Напомню, что у звезды HD 110067 (TOI-1835) известна компактная плотно упакованная система из шести транзитных мини-нептунов, связанных цепочкой орбитальных резонансов. HD 110067 c – вторая планета от звезды с орбитальным периодом 13.67 суток и радиусом 2.39 радиусов Земли. Очевидно, орбиты остальных планет также наклонены мало. Авторы делают вывод, что система образовалась в результате совместной миграции без каких-либо возмущающих событий.

[vika vorobyeva]

Сегодня в Архиве вышла статья о системе у яркой активной F-звезды HD 73344:
https://arxiv.org/pdf/2405.17155

Первую планету (точнее, транзитный кандидат) там обнаружил "Кеплер" в рамках 16-й наблюдательной кампании расширенной миссии K2. "Кеплер" зарегистрировал 6 транзитных событий, звезда получила альтернативное обозначение EPIC 212178066. Потом этого же кандидата обнаружила TESS на 45-46 секторах, звезду назвали TOI-5140. Один транзит наблюдал "Спитцер", итого набралось 10 транзитов.
Чтобы измерить массу планеты, лучевую скорость звезды измеряли с помощью спектрографов SOPHIE (515 замеров) и HIRES (238 замеров). Дело осложнялось бурной активностью молодой звезды, которую надо было аккуратно учесть. Активность как могли учли, массу планеты оценили, но с большими погрешностями. Зато (как уже не раз бывало) обнаружили вторую, не транзитную планету.

В итоге на сегодняшний день система выглядит так:
HD 73344 – звезда главной последовательности спектрального класса F6 V, яркая (+6.9 в полосе V), но молодая и быстро вращающаяся. Масса оценивается в 1.20 ± 0.02 солнечных масс, радиус в 1.22 ± 0.04 солнечных радиусов, ось вращения звезды наклонена к лучу зрения на 53°. Возраст – 1.15 ± 0.33 млрд. лет.
Планета b при радиусе 2.88 ± 0.08 радиусов Земли имеет массу 3.0 ^+2.5/_-1.9 масс Земли (или, более строго, ее масса не превышает 10.48 масс Земли с достоверностью 3 сигма). Орбитальный период 15.611 суток, большая полуось орбиты 0.131 а.е., эффективная температура 911 ± 7 К. Формально средняя плотность равна 0.68 ^+0.59/_-0.44 г/куб.см (или не превышает 2.45 г/куб.см).
Минимальная масса планеты c составляет 0.37 ± 0.04 масс Юпитера, орбитальный период 66.46 ± 0.25 суток, большая полуось орбиты 0.343 а.е., эффективная температура 562 ± 4 К.
Анализ динамической устойчивости системы показал, что наклонение орбиты планеты c не может быть меньше 30°. Скорее всего, система почти плоская, и минимальная масса внешнего сатурна близка к реальной массе. Эксцентриситеты обеих планет должны быть небольшими (0.03-0.06).
Благодаря яркости родительской звезды HD 73344 b будет интересной целью для JWST, однако интерпретировать спектры будет трудно из-за активности звезды.

[vika vorobyeva]

Потеряли планету HIP 41378 d: https://arxiv.org/pdf/2405.20077
В предсказанное время родительскую звезду наблюдал спутник ChEOPS, но транзита не случилось. Или планета d испытывает вариации времени наступления транзитов в десятки часов, или ее орбитальный период не 278.36 ± 0.001 суток, а, скажем, 101.2224 ± 0.0003 или 371.149 ± 0.001 суток. Это возможно, поскольку до сих пор было зафиксировано только три транзита с большими промежутками времени между ними: два транзита увидел "Кеплер" – во время 5-й и 18-й наблюдательных кампаний K2, и один – TESS. Период 278.36 суток считался наиболее вероятным.
Радиус HIP 41378 d оценивается в 3.54 ± 0.06 радиусов Земли, ChEOPS ее точно бы увидел.

[vika vorobyeva]

Для этого надо, чтобы кривая блеска вспышки полностью повторила транзитную кривую, но в противофазе. Продолжительность транзита HIP 41378 d – 12.5 часов. Можете представить себе вспышку такой продолжительности? И чтобы ее никто при этом не заметил?

[vika vorobyeva]

NIRCam получила трансмиссионный спектр очень теплого нептуна GJ 3470 b: https://arxiv.org/pdf/2406.04450

Также авторы учли наблюдения транзитов этой планеты, проведенные "Хабблом" и "Спитцером".
В спектре обнаружили полосы водяного пара, метана, сернистого газа и углекислоты, достоверность обнаружения этих четырех газов превышает 4 сигма. Есть намеки на угарный газ и циановодород, аммиак не обнаружен. Содержание тяжелых элементов в атмосфере в 125 ± 40 раз превышает солнечное ([M/H] = 2.1 ± 0.15).
Напомню, что масса GJ 3470 b оценивается в 11.2 ± 0.9 масс Земли, радиус – в 4.22 ± 0.09 радиусов Земли, эффективная температура – в 615 ± 16 К. Измеренная температура на терминаторе – 413 ± 67 К.

[vika vorobyeva]

Методом лучевых скоростей открыты две планеты у близких красных карликов GJ 1289 и GJ 3378: https://arxiv.org/pdf/2406.10384

Обе родительские звезды являются поздними красными карликами, они полностью конвективны и сильно намагничены. Лучевые скорости этих звезд измеряли инфракрасным спектрографом SPIRou, чувствительным в полосе  985-2450 нм.

GJ 1289 спектрального класса M4.5V удалена на 8.86 пк. Ее масса 0.21 ± 0.02 солнечных масс, радиус не сообщается. Среднее магнитное поле 1010 ± 80 Гаусс, на 45% площади поверхности поле превышает 2 килоГаусс. Поле испытывает вариации напряженности и направления оси диполя (если представлять его дипольным) от сезона к сезону.
Авторы собрали 289 высококачественных измерений лучевой скорости GJ 1289 и нашли когерентное колебание с периодом 111.74 ± 0.7 суток и амплитудой 2.37 ± 0.45 м/с, соответствующей планете с минимальной массой 6.27 ± 1.25 масс Земли. Скорее всего, это мини-нептун. Орбита практически круговая, большая полуось орбиты 0.27 ± 0.01 а.е., эффективная температура 150 К.

GJ 3378 удалена на 7.73 пк, ее спектральный класс M4V. Масса 0.26 ± 0.02 солнечных, радиус также не сообщается. Магнитное поле звезды поменьше, чем у GJ 1289, но тоже немаленькое – 150 ± 50 Гаусс. Авторы собрали 172 высококачественных измерений лучевой скорости GJ 3378. Хотя колебание лучевой скорости выглядит даже более явным (и соответствует эллиптической орбите), авторы говорят о GJ 3378 b как о кандидате с периодом 24.73 ± 0.06 суток и минимальной массой 5.3 ± 1.0 масс Земли. По всей видимости, и это мини-нептун. Планета вращается по эллиптической орбите с большой полуосью 0.106 ± 0.003 а.е. и эксцентриситетом 0.36 ± 0.16, ее эффективная температура составляет 260 К (температурный режим Земли).

Авторы поискали транзиты обеих планет в данных TESS, но ничего не нашли.

[vika vorobyeva]

Еще одна занятная статья, на этот раз теоретическая. Авторы предлагают измерять сплюснутость транзитных планет по форме транзитной кривой, получаемой JWST. Утверждают, что сплюснутость, равную сплюснутости Сатурна (0.1) можно легко измерить, как и наклон оси вращения планеты к плоскости ее орбиты.
https://arxiv.org/pdf/2406.11644

[vika vorobyeva]

Наземный транзитный обзор NGTS представил еще два горячих юпитера: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/04/aa47162-23/aa47162-23.html
Против обыкновения, статью не вывесили в Архиве, и я ее пропустила.

NGTS-26 – древняя солнцеподобная звезда, завершающая свой путь на главной последовательности. При массе 0.96 ± 0.04 солнечных масс ее радиус – 1.16 ± 0.05 солнечных радиусов, а светимость на 26.2 ± 11.5% больше солнечной. Возраст NGTS-26 оценивается аж в 11.5 ± 1.7 млрд. лет. Система удалена от нас на 1107 ± 32 пк.
NGTS-26 b – горячий сатурн массой 0.29 ± 0.065 масс Юпитера и радиусом 1.33 ± 0.06 радиусов Юпитера, что приводит к средней плотности 0.153 ± 0.04 г/куб.см. Орбитальный период 4.51993 суток, эффективная температура 1331 ± 85 К.

NGTS-27 уже сошла с главной последовательности и начала раздуваться, превращаясь в красный гигант: при массе 1.07 ± 0.06 солнечных ее радиус достигает 1.77 ± 0.03 солнечных, а светимость в 3.26 ± 0.24 раза больше солнечной светимости. Возраст NGTS-27 тоже немаленький – 7.9 ± 0.8 млрд. лет. Звезда удалена от нас на 977 ± 17 пк.
NGTS-27 b – горячий юпитер массой 0.59 ^+0.10/_-0.07 масс Юпитера и радиусом 1.40 ± 0.04 радиусов Юпитера, что соответствует средней плотности 0.27 ± 0.06 г/куб.см. Орбитальный период 3.37042 суток, эффективная температура 1783 ± 104 К.

У обеих планет огромная шкала высот (1200 ± 300 и 940 ± 140 км, соответственно), так что они обе будут хорошими целями для трансмиссионной спектроскопии.

[vika vorobyeva]

В системе WASP-132 нашли не транзитную планету на широкой орбите и измерили массу внутренней планеты c: https://arxiv.org/pdf/2406.15986

Обычно горячие юпитера одиноки. Но есть несколько исключений, одно из них – система WASP-132.
Первую планету там обнаружили в 2016 году, это был очень теплый гигант WASP-132 b массой 0.41 масс Юпитера, радиусом 0.87 радиусов Юпитера с орбитальным периодом 7.134 суток. В 2022 году TESS обнаружила в этой системе еще одну планету – горячий мини-нептун или суперземлю WASP-132 c радиусом 1.85 радиусов Земли и орбитальным периодом 1.012 суток. Массу внутренней планеты тогда измерить не удалось, был получен только верхний предел в 37.4 масс Земли.
Чтобы измерить массу планеты c, авторы стали измерять лучевую скорость звезды с помощью более точного спектрографа HARPS (до этого измеряли с помощью менее точного CORALIE). Масса оказалась равной 6.26 ± 1.84 масс Земли, что дает среднюю плотность 5.5 ± 2.0 г/куб.см. При такой средней плотности планета не может быть полностью железокаменной, она должна содержать 9 ± 6% воды.
Пока измеряли массу внутренней планеты, обнаружили еще одно колебание с периодом 1817 ± 44 суток (5 лет). Минимальная масса внешней планеты d – 5.16 ± 0.52 масс Юпитера, большая полуось 2.71 ± 0.12 а.е., эксцентриситет орбиты 0.12 ± 0.08, температурный режим промежуточный между температурными режимами Юпитера и Сатурна.

Массу и наклонение внешней планеты можно будет определить из данных "Гайи", потому что значительная масса и широкая орбита дадут заметный астрометрический сигнал.

Помимо всего вышеперечисленного, лучевая скорость WASP-132 демонстрирует дополнительный линейный дрейф, что говорит о наличии четвертого тела на самой внешней орбите, возможно, коричневого карлика.

[vika vorobyeva]

Астрономы отыскали потенциальную суперземлю в обитаемой зоне близкого оранжевого карлика
https://academic.oup.com/mnras/article/531/4/4464/7696217?login=false#467863893

Никак не найду ошибку
Родительская звезда HD 48948 имеет температуру фотосферы 4593 К и радиус 0.679 солнечных, что пересчитывается в светимость в 5.44 раза меньше солнечной и радиус эффективной земной орбиты 0.43 а.е. Оба значения ожидаемы для K3-карлика.
При этом большая полуось орбиты планеты d – 0.489 ± 0.004 а.е. Отсюда a/R_эф = 1.14, т.е. планета немного прохладнее Земли. Но авторы пишут, что ее эффективная температура 349 ± 4 К, что больше соответствует температурному режиму Венеры.
Величина большой полуоси, вычисленная по 3 закону Кеплера, дает 0.489 а.е. Значит ли это, что авторы неправильно посчитали равновесные температуры планет? И куда смотрели рецензенты?

[vika vorobyeva]

Спасибо, Dayan.
С минимальной массой 10.6 масс Земли планета d, очевидно, нептун, планета c скорее всего тоже. Только планета b еще может быть суперземлей, но я бы ожидала и у нее водяную мантию и паровую атмосферу. При неудачном угле наклона орбит нептуны все трое.

[vika vorobyeva]

Измерили наклонение орбиты к экватору звезды у двух планет HATS-38 b и WASP-139 b: https://arxiv.org/pdf/2406.18631
Обе орбиты оказались полярными: у HATS-38 b lambda = -108 ± 16°, у WASP-139 b lambda = -86 ± 7°.
У обеих планет небольшой, но заметный эксцентриситет орбит. Авторы пишут, что обе планеты оказались на своих текущих тесных орбитах в результате высокоэксцентричной миграции.

[vika vorobyeva]

С помощью новых данных заново проанализировали богатый набор измерений лучевой скорости близкого красного карлика GJ 581, у которого ранее то открывали, то закрывали планеты. В итоге авторы подтвердили 3 уже известные планеты в системе и показали, что остальные RV-сигналы вызваны звездной активностью. Также им удалось определить наклонение плоскости орбиты планет к лучу зрения – 47 ± 15°.
https://arxiv.org/pdf/2407.11520

Напомню, что сейчас у GJ 581 подтверждены планеты e, b и c с орбитальными периодами 3.1481 ± 0.0004, 5.3686 ± 0.0001 и 12.9211 ± 0.0008 суток и истинными (физическими) массами 2.48 ^+0.70/_-0.42, 20.5 ^+6.2/_-3.5 и 6.81 ^+0.21/_-1.16 масс Земли. Внутренняя планета может быть суперземлей или океанидой, внешние планеты – нептун и мини-нептун.

[vika vorobyeva]

Открыта вторая планета в системе HD 118203: https://arxiv.org/pdf/2407.11706

В 2005 году у субгиганта HD 118203 открыли эксцентричный (e ~ 0.31) горячий юпитер массой 2.17 ± 0.08 масс Юпитера и орбитальным периодом 6.135 суток. В 2019 году выяснилось, что планета транзитная. Звезда попала на 15 сектор TESS, и космический телескоп зафиксировал мелкий транзит, который не смогли обнаружить с Земли. Радиус планеты b оказался равным 1.12 ± 0.09 радиусов Юпитера.
Группа польских астрономов (ведущий автор G. Maciejewski) получила несколько новых измерений лучевой скорости звезды на HARPS-N в компанию к старым измерениям, полученным в 2006-2013 годах. Лучевая скорость продемонстрировала еще одно колебание с периодом 5070 ± 240 суток (чуть меньше 14 лет) и амплитудой 118 ± 11 м/с, соответствующей планете массой 11.1 ± 1.3 масс Юпитера. Данные "Гайи" позволили оценить наклонение орбиты c к лучу зрения 95 ± 19°. Это означает, что система почти плоская. Внешний гигант вращается по орбите с большой полуосью 6.2 ± 0.2 а.е. и эксцентриситетом 0.257 ± 0.034, его температурный режим грубо соответствует температурному режиму Юпитера.

[vika vorobyeva]

В системе HD 73344 обнаружена третья планета – газовый гигант HD 73344 d: https://arxiv.org/pdf/2408.09614

Планета обнаружена методом лучевых скоростей, наклонение ее орбиты оценено с помощью астрометрии.
Масса планеты d – 2.55 ^+0.56/_-0.46 масс Юпитера, орбитальный период 5746 ± 170 суток (15.7 ± 0.5 лет), большая полуось орбиты 6.70 ± 0.25 а.е., эксцентриситет орбиты 0.18 ± 0.14, наклонение орбиты 58 ⁺¹⁹/_-16° (или, в случае ретроградного движения, 122 ⁺¹⁶/_-19°, пока между этими двумя решениями сделать выбор нельзя).
Звезду наблюдают с 1997 года, что и позволило обнаружить такую долгопериодическую планету.

Напомню, что у F6-звезды HD 73344 уже известны две планеты – транзитный горячий нептун b радиусом 2.88 ± 0.08 радиусов Земли с орбитальным периодом 15.6 суток, чья масса не превышает 12.4 масс Земли, и не транзитный легкий газовый гигант c минимальной массой 0.37 ± 0.02 масс Юпитера с орбитальным периодом 65.9 суток.

Наклонение орбиты планеты c неизвестно, но авторы оценили взаимное наклонение орбит планет b и d. Распределение возможных наклонений имеет бимодальный вид с максимумами вблизи 50° и 130°. Другими словами, орбита внешнего гиганта сильно наклонена к орбите транзитного нептуна.

[vika vorobyeva]

Еще одна статья из Архива посвящена анализу распространенности планет у звезд толстого диска Галактики в сравнении со звездами тонкого диска:
https://arxiv.org/pdf/2408.09319

Звезды толстого диска образовались ранее 10 млрд. лет назад в условиях, сильно отличающихся от современных. Это была эпоха бурного звездообразования, что сопровождалось резко повышенным относительно современного фоном ультрафиолетового и рентгеновского излучения. А это, в свою очередь, приводило к быстрой диссипации протопланетных дисков. Для формирования у планет той эпохи оставалось слишком мало времени, поэтому распространенность планет всех типов у звезд толстого диска меньше, чем у звезд тонкого диска. Так, по данным "Кеплера" (авторы пишут это во введении), количество суперземель и мини-нептунов с орбитальными периодами меньше 40 суток примерно вдвое (50 ± 8% и 56 ± 7%) меньше, чем у звезд тонкого диска.
Авторы рассмотрели физические условия в областях звездообразования в эпоху формирования звезд толстого диска в сравнении с условной современностью (последние миллиарды лет). Гигантские молекулярные облака тогда были массивнее, хотя и беднее пылью, а эффективность звездообразования могла достигать 10-40% (сейчас около 2%). Это приводило к сравнительно высокой температуре дисков, обеспеченной облучением со стороны ближайших звезд. В зависимости от конкретных параметров модели температура дисков менялась в широких пределах, но в большинстве случаев долго превышала 100 К, что препятствовало конденсации летучих льдов (угарного и углекислого газов, метана и пр.) Для сравнения, температура самых внешних частей Солнечной системы, обеспеченная внешним облучением, оценивается в 15 К.
За полмиллиона лет газ из дисков звезд толстого диска рассеивался, т.е. среднее время жизни протопланетного диска тогда было в 5 раз меньше, чем сейчас. Авторы предсказывают, что распространенность газовых гигантов у звезд толстого диска должна быть гораздо меньше, чем сейчас, причем отношение C/O должно быть ~0.2.

[vika vorobyeva]

С помощью регистрации эффекта Росситера-МакЛафлина измерено наклонение нормали к плоскости орбиты к оси вращения звезды мини-нептуна HD 191939 b:
https://arxiv.org/pdf/2409.06795
Оно оказалось равным 3.7 ± 5°. Это говорит о том, что система HD 191939 является плоской и динамически холодной.

Напомню, что у древней G9-звезды HD 191939 известны 5+ планет. Три внутренних (включая b) являются транзитными, они были обнаружены TESS в 2020 году. Это мини-нептуны с орбитальными периодами 8.88, 28.58 и 38.35 суток и радиусами 3.37, 3.22 и 3.16 радиусов Земли, соответственно. В 2021 году методом лучевых скоростей открыли не транзитную планету e – легкий газовый гигант с минимальной массой 0.34 масс Юпитера и периодом 101.7 суток, а в 2022 году – планету g с минимальной массой 6.9 ± 2.5 масс Земли и периодом 288.6 ± 7.1 суток.
Поскольку лучевая скорость звезды после исключения сигналов пяти планет демонстрировала дополнительный дрейф, мониторинг этой системы продолжался. Вместе с определением наклонения планеты b авторы представляют самую дальнюю планету f – газовый гигант с минимальной массой 2.88 ± 0.26 масс Юпитера, большой полуосью орбиты 3.71 ± 0.13 а.е. и орбитальным периодом 2898 ± 152 суток (7.9 ± 0.4 лет). Температурный режим внешней планеты грубо соответствует температурному режиму Юпитера.
Анализ динамической устойчивости системы показал, что взаимное наклонение орбиты планеты e и трех внутренних транзитных планет не превышает 12°. Скорее всего, вся система лежит примерно в одной плоскости, и истинные массы не транзитных планет близки к измеренным минимальным массам.