УДК 523.4
ПЛАНЕТАНЫ - ОКЕАНИЧЕСКИЕ ПЛАНЕТЫ © 2014 г. Л. В. Ксанфомалити
Институт космических исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 15.10.2012 г.
Совершенствование принципов, систем и инструментов позволяет обнаружить экзопланеты с массами 6—8 масс Земли и менее. Вывод на исследовательские орбиты спутников Земли специализированных аппаратов, таких как СоЯоТ (2006 г.) и Kepler (2009 г.), позволил обнаружить новые экзопла-нетные системы. В этих миссиях ведется поиск и наблюдаются прохождения по диску звезды (транзиты) сравнительно маломассивных планет. Одновременно продолжаются поддерживающие исследования экзопланет с помощью наземных средств (измерения кеплеровских составляющих радиальных скоростей). Свойства по крайней мере двух объектов, Kepler-22 и GJ 1214b, найденных разными методами, позволяли предположить, что среди известных типов внесолнечных планет существует еще одна категория небесных тел и что по своему строению Kepler-22 и GJ 1214b могут относиться к планетанам (океаническим планетам). В статье рассматривается, насколько обосновано подобное заключение. Более реалистично рассматривать в качестве планетана экзопланету Gl 581g. Приводятся некоторые особенности физики этих необычных планет.
DOI: 10.7868/S0320930X14010058
ВВЕДЕНИЕ
Полное число открытых с 1995 г. экзопланет постепенно приближается к 1000. Исследование вне-солнечных планет относится к наиболее сложным фундаментальным проблемам наблюдательной астрономии и теоретической астрофизики последних лет. Начиная с открытия в 1995 г. первой экзопланеты 51 Peg b, в научной литературе появилось большое число публикаций на эту тему, а число открытых экзопланет в 2013 г. превысило 900. Почти во всех случаях исследователи используют один из двух методов: крайне сложный метод лучевых скоростей (МЛС), когда с точностью до синуса угла i, определяемого положением наблюдателя, находится масса экзопланеты, или метод ТРАНЗИТОВ — когда точные фотометрические наблюдения прохождения планеты по диску звезды позволяют по ослаблению потока в единицы или доли промилле достаточно уверенно находить размер планеты, а в комбинации с МЛС — точное значение массы планеты, так как в этом случае i ~ я/2. Насколько сложны такие измерения, показывает модель выполняемых удаленным зрителем наблюдений транзитов Земли, для которых ослабление потока солнечного излучения составляет 0.0836 промилле при полной длительности явления 13 часов. Благодаря совершенствованию методов и техники астрономических поисков внесолнечных планет, в сообщениях о новых открытиях появились маломассивные планеты. Первые найденные экзопланеты по методическим причинам поиска должны были обла-
дать огромной массой, в сотни раз больше массы Земли. Но уже к 2005 г. в списке появились планеты с массами около 25 масс Земли, близкими к массе Нептуна. В 2008—2010 гг. традиционным методом лучевых скоростей удалось найти тела с массой менее 10 (и даже менее 5) земных масс. Для этого понадобились некоторые специальные приемы, например отбор маломассивных звезд, у которых кеплеровские эффекты, вызываемые небольшими экзопланетами, оказываются наиболее заметными. Но как бы там ни было, "легкие" экзопланеты обнаружены и, по мере совершенствования методов исследования, они станут, возможно, самым распространенным типом планетных тел. Они получили рабочее название "суперЗемли".
Следует напомнить, что в Галактике насчитывается, вероятно, около 8 миллиардов одних только "горячих юпитеров". Типы "горячих экзопланет" с малым эксцентриситетом низких орбит включают:
*очень горячие юпитеры (массы от 0.2 до 13 масс Юпитера, период от 10 час до суток);
* горячие юпитеры (массы от 0.2 до 13 масс Юпитера, период от 2—3 до 25 суток);
* горячие нептуны (и еще неоткрытые очень горячие нептуны). Массы от 0.02—0.05 до 0.2 масс Юпитера, что то же от 6—15 до 60 масс Земли, период от 10 час до 25 суток);
*экзопланеты типа "горячая земля", с массой от менее земной до 5—6 масс Земли, на низких орбитах.
6
81
Рис. 1. Экзопланетная система Kepler-11 с расположением шести планет на низких орбитах. (Из работы Endl, 2012).
*новая категория: планетаны (планеты-океаны, массы от менее земной, до 5—6 масс Земли, на умеренно низких орбитах).
Наряду с "горячими экзопланетами" около 65—75% экзопланет составляют массивные тела на высоких орбитах, с большими эксцентриситетами. Но значительную часть всех экзопланет могут составлять маломассивные планеты на высоких орбитах. Поиск экзопланет, по массе подобных Земле и на ее орбитальном расстоянии, наземными средствами с помощью метода лучевых скоростей методически крайне сложен и трудно выполним. Но именно такие планеты вызывают наибольший интерес, прежде всего в отношении поиска жизни на других мирах.
МИССИИ CoRoT И Kepler: ПОИСК ЭКЗОПЛАНЕТ, ПОДОБНЫХ ЗЕМЛЕ
Два специализированных исследовательских аппарата на околоземной орбите позволили получить много новых данных. Это аппарат CoRoT, запущенный в 2006 г., и аппарат Kepler, запущенный в марте 2009 г. Оба предназначены для поиска экзопланет малой массы, причем сообщалось, что за 3.5 года Kepler исследует до 160000 звезд. Аппарат CoRoT в 2007—2008 гг. исследовал два участка неба по 4 кв. градуса в направлениях центра и антицентра Галактики. Было обнаружено много объектов, орбиты которых расположены настолько удачно, что для земного наблюдателя планета в своем движении проходит по диску звезды (транзиты). Большинство найденных в проекте Kepler экзопланет находится на низких орбитах. Примером могут быть 6 планет системы Kepler-11 (обнаружена в 2011 г.), 5 из которых вписываются в орбиту Меркурия, а 6-я в орбиту Венеры (рис. 1). Родительская звезда Kepler-11 — солнечного типа, старше Солнца. Транзиты на-
блюдаются по меньшей мере у трех планет, система необычно "плоская". Свойства планеты Ke-pler-11b наиболее интересны (Lissauer и др., 2011; Schneider, 2011). Радиус планеты, найденный по данным транзитов, 1.97 ± 0.19 земного. Ее масса оценена в 4.3 масс Земли, но с большой неопределенностью, от 2.3 до 6.5, т.к. масса недостаточна, чтобы уверенно использовать МЛС, поэтому она рассчитана по незначительным отклонениям моментов транзита, вызываемых взаимным влиянием остальных планет, главным образом планетой 11c, находящейся в резонансе с 11b. Средняя плотность 11b почти вдвое меньше земной, 3.1 г/см3, но также с неопределенностью от 1.6 до 5.2 г/см3. Орбита планеты низкая, с большой полуосью орбиты 0.091 а. е. и орбитальным периодом 10.3 сут. Расчетное значение равновесной температуры тела на орбите Kepler-11b составляет 900 К, но точность оценки температуры планеты зависит от ее альбедо, которое неизвестно.
Главная объявленная задача миссии Kepler была сформулирована следующим образом: найти встречаемость планет типа Земли в "зонах обитания" солнцеподобных звезд. Результаты миссий CoRoT и Kepler постепенно уточнялись, что было связано с некоторыми ограничениями обоих методов, названных выше. Первой обнаруженной планетой малой массы с транзитами была экзопланета CoRoT-7b. Транзиты позволили достаточно точно определить ее свойства. Как и у большинства других открытых экзопланет, родительская звезда принадлежит главной последовательности; это оранжевая звезда класса K0V (более позднего, чем класс Солнца G2), с эффективной температурой 5275 К, отстоящая от Солнца на 150 пк. В системе этой звезды были обнаружены 2 планеты, CoRoT-7b и 7с. Обе находятся на очень низких орбитах, всего 0.0172 и 0.046 а. е. В отличие от Солнца, звезда обладает неспокойной фотосферой. Это обстоятельство ограничивает эффективность МЛС в поиске экзопланет (Ксанфомалити, 2004а; 2004б). Благодаря усилиям нескольких европейских научных групп, работающих совместно, результаты наблюдений транзитов, полученных с борта CoRoT, были объединены со спектральными наблюдениями на спектрографе HARPS, установленном на 3.5-метровом телескопе в обсерватории La Silla в Чили. Масса M CoRoT-7b всего в 4.8 раз, а радиус R в 1.7 раз больше массы и радиуса Земли, что дает среднюю плотность 5.6 г/см3, очень близкую к средней плотности Земли, 5.52 г/см3. Ускорение свободного падения
GM/RR2 = 16 м/с2 (1)
всего на 63% больше земного. Но на этом сходство с Землей заканчивается: из-за низкой орбиты и высокой светимости родительской звезды температура поверхности планеты должна составлять примерно 2000 К, что исключает какие-
либо надежды на присутствие биосферы. Орбитальный период CoRoT-7b менее суток, 20.4 ч. Период второй экзопланеты, CoRoT-7c, 3.7 сут, масса около 8.4 масс Земли.
Размеры 2300 объектов миссии Kepler, найденных на начало 2012 г., распределяются следующим образом: околоземные размеры — 207 объектов, "суперЗемли" — 680, "нептуны" — 1181, "юпитеры" — 203, объекты больше Юпитера — 27 (Endl, 2012).
ЭКЗОПЛАНЕТА Kepler-22b
Объект Kepler-22b был обнаружен в 2009 г., а сообщение об открытии датировано 05.12.2011 (Borucki, 2011; Endl, 2012). Класс родительской звезды почти совпадает с солнечным, G5V. Масса 0.97 солнечной, радиус 0.98. Светимость звезды на 25% меньше солнечной, температура 5518 К. Объект далекий, 190 пк.
Экзопланета Kepler-22b выделяется прежде всего тем, что находится на орбите в "зоне обитаемости" (по земным критериям), большая полуось 0.85 а. е., орбитальный период 289.9 сут. Более низкая по сравнению с земной орбита вместе с более низкой светимостью звезды приводят к той же болометрической температуре, что и у Земли, примерно 260 К (действительная величина зависит от альбедо, которое неизвестно). Луч визирования для земного наблюдателя находится в плоскости орбиты (угол i ~ 89.76°), транзиты центральные. Ослабление потока излучения звезды при транзите составляет 0.492 промилле, при полной длительности явления около 8 часов (рис. 2). Радиус планеты найден по транзитам и составляет 2.4 радиуса Земли. Оценки массы экзопланеты Kepler-22b весьма ненадежны. По уровню 3а масса была определена как <124 масс Земли (МЗ); далее по уровню 1а приводилось значение <0.11 масс Юпитера (36 масс Земли). Указывалась также масса Нептуна (17 МЗ) как возможное значение для Kepler-22b.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.