Планета Куа’куа, или LHS 3844b, в представлении художника / © NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
Суперземля Куа’куа, или LHS 3844b, в полусотне световых лет от нас стала первой планетой, находящейся в подтвержденном приливном захвате со звездой. Это удалось выяснить благодаря тому, что у планеты нет атмосферы.
Считается, что экзопланеты, летающие близко к своей звезде, находятся в приливном захвате, то есть одна их сторона всегда обращена к звезде, как у Луны — к Земле. Такая синхронизация происходит из-за гравитационного взаимодействия двух тел. Но в системе не всегда есть лишь два тела. На вращение планеты оказывает влияние и ее внутренняя структура: например, магма у ядра или другой жидкий слой, а также атмосфера или океан, если таковые есть. Более того, не всегда вращение получается «чистым» синхронным, нередко возникает резонанс.
Несмотря на множество факторов, моделирование показало, что планеты на круговых орбитах всегда выходят на синхронное вращение. Проблема в том, что наши инструменты не позволяют настолько точно измерить эксцентриситет орбиты, а даже при значении e = 0.001 – 0.01 экзопланета уже может поддерживать резонанс. Поэтому ученые пытаются определить приливный захват по косвенным признакам. Например, по тому, как планета нагревается по всей своей орбите — по ее фазовой тепловой кривой.
Проще всего анализировать эту кривую у «голых» экзопланет без атмосферы или океана. Их нагрев зависит лишь от вращения, орбиты, свойств поверхности или потенциального приливного разогрева. Оценить их гораздо проще, чем влияние потенциальной «погоды» на газовых гигантах.
Именно поэтому для проверки приливного захвата международная группа астрофизиков выбрала Куа’куа, или LHS 3844b. Это небольшая (1,32 радиуса Земли) экзопланета летает у красного карлика в 48,5 светового года от нас. Ее орбитальный период — всего 11,1 часа. Согласно наблюдениям и спектральному анализу, ее ночная сторона совсем холодная, почти нет ни водорода, ни воды, а значит, нет и плотной атмосферы. Более того, судя по фазовой тепловой кривой, у Куа’куа почти круговая орбита.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal, построили тепловую компьютерную модель Куа’куа и сопоставили результаты с данными наблюдений космического телескопа «Спитцер». В отличие от предыдущих исследований этой экзопланеты, ученые анализировали всю фазовую тепловую кривую, а не только ее часть.
Слева: излучение дневной стороны Куа’куа по данным наблюдений (красная линия) в сравнении со сценариями, когда планета находится в резонансе, как Меркурий (зеленая прямая), и в псевдосинхронизации (синяя кривая). Справа: фазовая кривая Куа’куа при разном вращении и разных характеристиках поверхности (сверху базальт, снизу реголит). Черные точки — данные наблюдений. Синяя линия — сценарий приливного захвата / © Lyu et al, The Astrophysical Journal, 2024
Моделирование показало, что резонансное вращение 3:2, как у Меркурия с Солнцем, разогревало бы Куа’куа приливными силами гораздо сильнее, чем мы видим по данным «Спитцера». Отсутствие признаков сильного приливного разогрева также указывает на маленький эксцентриситет орбиты экзопланеты, менее 0,001. То есть, если планета и вращается вокруг своей оси, то настолько медленно, что, по сути, находится в приливном захвате.
У поверхности Куа’куа очень низкое альбедо, то есть отражательная способность. Ранее ученые думали, что причина в базальтовой корке. Новое моделирование показало, что такой сценарий не подходит. Фазовая тепловая кривая экзопланеты лучше всего объясняется космическим выветриванием (то есть Куа’куа покрыта слоем реголита) или небольшим приливным разогревом от взаимодействия с гипотетической еще одной планетой. По оценке авторов исследования, без наличия еще одной планеты при таком приливном воздействии звезды Куа’куа вышла бы на круговую орбиту всего за 530 лет.
Так как второй сценарий требует принятия предположения о существовании еще одной планеты, авторы новой работы отдали предпочтение версии о реголитовой поверхности, хотя только по данным это подтвердить пока невозможно.
По более точным измерениям угловой скорости можно будет точнее определить эксцентриситет орбиты Куа’куа и тем самым опровергнуть гипотезу о влиянии еще одной планеты. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» теоретически может разглядеть в спектре космическое выветривание. Также выводы авторов новой работы можно будет проверить на более точной фазовой тепловой кривой, которую позволят получить будущие наблюдения.