Астрономы продолжают ломать голову над экзопланетой, которая настолько легкая, что будь для нее подходящий океан, она бы в нем не утонула, а спокойно плавала бы на поверхности. Этот необычный мир и его собратья по системе бросают вызов ученым, пряча свои самые сокровенные тайны за слоем дымки, который оказался толще всего, что раньше видели на планетах.
Пелена настолько плотная, что даже сверхчувствительный взгляд космического телескопа Джеймса Уэбба не может ее пронзить. Из-за этого разгадка того, как сформировались этот сверхлегкий мир и его планеты-соседи, пока остается за рамками возможного.
Что это за планеты
Джессика Либби-Робертс из университета Тампы во Флориде пояснила, что планеты с такой ультранизкой плотностью встречаются редко и идут вразрез с привычным пониманием того, как рождаются газовые гиганты. Она подчеркнула, что если объяснить появление одного такого мира уже сложно, то в этой системе их целых три.
Речь идет о планете Kepler-51d, которая входит в семейство из четырех миров, вращающихся вокруг молодой звезды, похожей на Солнце. Находится все это хозяйство на расстоянии 2615 световых лет от нас. Открыли их с помощью телескопа Кеплер, который наблюдал за тем, как планеты проходят на фоне своей звезды. По тому, сколько света звезды они затмевают, ученые вычислили размеры миров, а по небольшим колебаниям во времени транзита — гравитационным влияниям планет друг на друга — измерили их массу.
Размеры планет 51b, c и d составляют 7,1, 9 и 9,7 радиуса Земли соответственно, то есть они примерно как Сатурн. А вот массы у них совсем другие: всего в 3,7, 5,6 и 5,6 раза больше земной. Для сравнения, у Сатурна масса превышает земную в 95 раз. Получается, эти планеты размером с Сатурн, но весят куда, куда меньше. Четвертую планету в системе, e, обнаружили только в 2024 году, и ее массу с радиусом пока толком не измерили.
Сахарная вата вместо камня
Плотность планет b, c и d больше напоминает сахарную вату, чем привычные нам небесные тела. Они совершенно не похожи на планеты Солнечной системы. Взять тех же газовых гигантов Юпитер или Сатурн: у них массивные плотные ядра, которые сами по себе в десять раз тяжелее Земли. Сначала сформировались эти ядра, а потом их гравитация притянула огромное количество газа из протопланетного диска.
Здесь же, по словам Либби-Робертс, у планет крошечные ядра и гигантские атмосферы, что и дает им плотность вроде сахарной ваты. Как такие маленькие ядра смогли притянуть к себе сравнительно большие объемы газа — пока загадка.
Дымка непроглядная
В 2020 году Либби-Робертс, работая тогда в университете штата Пенсильвания, собрала команду для наблюдения за системой Kepler-51 с помощью телескопа Хаббл. Они хотели изучить химический состав атмосферы планет, что дало бы подсказки, где эти миры сформировались и как стали такими разреженными. Учитывая их низкую плотность, там наверняка много водорода и гелия — самых легких и распространенных элементов во Вселенной. Но разные примеси могли бы рассказать об их происхождении.
Однако Хаббл не обнаружил никаких химических сигнатур. Тогда ученые заподозрили, что атмосферу планет начисто перекрывает однородная дымка.
Теперь Либби-Робертс снова взялась за эту систему, но уже используя прибор NIRSpec на телескопе Уэбба. Она попыталась проникнуть в атмосферу Kepler-51d с его помощью, надеясь все же определить ее состав. Метод использовали тот же: транзитная спектроскопия. Когда планета проходит по диску звезды, свет звезды фильтруется через ее атмосферу, и молекулы газа поглощают определенные длины волн, оставляя характерные линии в спектре.
Но и Уэбб не помог
По словам Либби-Робертс, свет звезды проходит сквозь атмосферу планеты, прежде чем попасть в телескопы, и если посмотреть на весь спектр, можно получить отпечатки пальцев — уникальный набор данных о составе. Однако спектр снова не показал никаких признаков химии. Это значит, что дымка там настолько плотная, что даже прибор NIRSpec, который работает на более длинных волнах, чем Хаббл, не может ее пробить. Такого толстого слоя на экзопланетах еще не встречали.
Совместно работавший над исследованием Суврат Махадеван из университета штата Пенсильвания отметил, что происходящее очень похоже на дымку, которую наблюдают на Титане, спутнике Сатурна, где есть углеводороды вроде метана, но только в гораздо более крупных масштабах. По его словам, у Kepler-51d просто огромное количество дыма — почти размером с радиус Земли.
Загадка происхождения
На сегодняшний день нет ни одной модели формирования планет, которая могла бы объяснить появление таких низкоплотных миров, да еще и так близко к звезде. Если бы 51b, c и d перенесли в нашу систему, все они уместились бы внутри орбиты Венеры.
Либби-Робертс допускает, что планета могла сформироваться дальше, а потом мигрировать внутрь системы, но вопросов все равно остается масса. Главный из них: что именно в этой системе привело к появлению трех таких странных миров, сочетание экстремальных характеристик которых не встречается больше нигде.
Возможно, мы застали эти планеты в переходном состоянии. Системе около полумиллиарда лет — по сравнению с нашим Солнцем, которому 4,5 миллиарда, она совсем молодая. Звезда Kepler-51 все еще довольно активна, и ее звездный ветер сдувает внешние слои газа с этих сверхлегких планет. Возможно, если заглянуть сюда через миллиард лет, от их огромных атмосфер останутся лишь небольшие ядра. Результаты измерений Kepler-51d опубликованы в мартовском номере Astronomical Journal.
