Астрономы впервые измерили скорости вращения экзопланет — четырёх газовых гигантов в звёздной системе HR 8799 на расстоянии 129 световых лет от Земли. Эта звезда — одна из первых, планеты которой удалось в 2008 году разглядеть непосредственно, используя наземные телескопы. Наблюдения их спектров при помощи нового высокоточного инструмента Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) в обсерватории на Гавайях позволили установить состав атмосферы планет, а также их температуру, параметры орбит и продолжительность дня.
Созвездие Пегаса и звезда HR 8799.
HR 8799 — звезда в созвездии Пегаса на расстоянии 129 световых лет, которую можно увидеть на небе невооружённым глазом. Её видимая звёздная величина 5,96m (считается, что средний человек с хорошим зрением без оптических инструментов может различить на небе звёзды до величины 6 или 6,5).
Планетную систему звезды открыли в 2008 году на телескопах двух гавайских обсерваторий — обсерватории Кека и Gemini. Возле звезды обнаружили четыре планеты класса супер-юпитеров — газовых гигантов с массами около 10 масс Юпитера. Это одна из первых систем, в которых получены прямые изображения экзопланет. Звёздной системе несколько десятков миллионов лет, то есть по звёздным меркам она очень молодая, и планеты только находятся в стадии формирования. Планеты вращаются на расстоянии 16, 26, 41 и 70 астрономических единиц от звезды, и периоды их обращения по орбите составляют соответственно от 45 до 460 лет (газовые гиганты Солнечной системы Юпитер и Сатурн находятся на расстоянии 5 и 9,5 а.е. от Солнца). Среди около 4 тысяч открытых на сегодня экзопланет только несколько десятков обнаружили методом прямого наблюдения (direct imaging). Как правило, это газовые гиганты на большом расстоянии от своей звезды. Прямое наблюдение экзопланеты даже у ближних звёзд — сложная задача из-за того, что яркость звезды на много порядков больше яркости света, отражённого планетой. Выделить поток света от экзопланеты на фоне звезды — приметно то же самое, что различить с расстояния в несколько тысяч километров морской маяк и зажжённую рядом с ним свечу. В последнее десятилетие получили развитие методы экранирования света от звезды при помощи коронографов. В сочетании с системами адаптивной оптики это позволяет различать более близкие планеты, используя сравнительно небольшие телескопы. Так, приведённый здесь наиболее известный снимок системы HR 8799 получен при помощи 1,5-метрового фрагмента телескопа Хейла Паломарской обсерватории с использованием вортексного коронографа. В принципе обитатели тех планет могли бы, располагая такой же техникой, рассмотреть с этого расстояния наш Сатурн, а возможно, и Юпитер.
Планеты HR 8799 b, HR 8799 c и HR 8799 d — прямое изображение экзопланет при экранировании света звезды коронографом.
Спектроскопические измерения позволяют определять орбитальные характеристики, состав атмосферы планет и даже их скорость вращения, то есть продолжительность дня на них. Для определения кинематических параметров небесных объектов, у которых можно снять спектр, используется эффект Доплера — смещение спектральных линий химических элементов в синюю или красную сторону по сравнению с их «лабораторными» значениями при приближении или удалении объекта. По величине смещения линии можно измерить скорость движения объекта, например, экзопланеты (подробнее про измерение радиальной скорости по смещению спектральных линий можно прочитать в этой статье). Далее, более тонкие измерения можно использовать для определения, с какой скоростью вращается планета, то есть насколько отличаются скорости перемещения внутреннего и внешнего края её видимого диска. Однако до сих пор точности инструментов для определения скорости вращения экзопланеты вокруг оси не хватало — такие измерения в других звёздных системах пока удалось выполнить только в нескольких случаях.
Новый инструмент обсерватории Кека KPIC (Keck Planet Imager and Characterizer) позволяет снимать спектры экзопланет и квази-звёзд (коричневых карликов) с повышенной точностью и разрешением, достаточным для определения их вращения вокруг оси. Прибор KPIC представляет собой серию дополнительных модулей системы адаптивной оптики телескопа Keck II. Он разработан совместно Калифорнийским технологическим институтом и обсерваторией Кека и введён в эксплуатацию в 2018—2020 годах. Статья коллектива астрономов по результатам определения свойств четырёх экзопланет HR 8799 выходит в The Astronomical Journal (её препринт доступен на arXiv.org). Эта работа представляет и первый научный результат KPIC.
Удалось установить, что минимальная скорость вращения двух планет системы HR 8799 d и e (двух самых близких к звезде) составляет 10,2 км/с и 15 км/с соответственно (речь идёт о линейной скорости вращения их поверхности). Отсюда продолжительность дня на планетах может составлять от 3 до 24 часов. Неопределённость связана с тем, что неизвестен наклон оси вращения планет. Здесь ситуация такая же, как и в методе радиальной скорости как косвенном методе обнаружения экзопланет. Наблюдая смещение спектральных линий химических элементов в спектре по сравнению с «лабораторными» значениями, мы можем измерить компоненту скорости небесного тела в направлении на или от наблюдателя (телескоп на Земле). Если планетная система расположена к нам строго ребром, то это и будет истинной скоростью движения. Если же плоскость вращения наклонена к линии зрения, реальная скорость будет выше. В таких методиках мы измеряем величины v sin(i), где i — угол наклона орбиты. Это проекция истинной скорости на линию зрения, соответственно в общем случае измерение даёт нижнюю оценку. Такая же проблема появляется и при измерении скорости обращения планеты вокруг оси — в этом случае неизвестно направление оси вращения планеты. Для сравнения: скорость вращения на поверхности Юпитера составляет 12,7 км/с, а оборот вокруг оси он совершает за 10 часов. Также определили верхнюю границу скорости вращения третьей планеты HR 8799 c — 14 км/с. Для оставшейся самой удалённой планеты, HR 8799 b, параметры вращения пока надёжно не установлены.
Система HR 8799 в движении: снимки за семь лет наблюдений в обсерватории на Гавайях. J. Wang, Caltech/C. Marois, NRC-HIA.
Скорость вращения планет даёт дополнительную информацию о путях их формирования. Здесь интересны, например, корреляции вращения с размерами газовых гигантов в сравнении с данными по Солнечной системе. Недавно сформированные газовые планеты по мере поглощения свежего материала из планетарного диска должны ускорять вращение; с другой стороны сильное магнитное поле таких планет должно работать как тормоз, замедляя их. В результате по доступным скудным данным, включая наши газовые планеты, пока можно отметить любопытную тенденцию: газовые планеты и субзвёзные объекты меньшей массы вращаются быстрее. Предположительно это может означать, что магнитное торможение в эволюции газовых планет небольшого размера играет меньшую роль. Если это так — мы получаем дополнительную точку опоры и в понимании эволюции Солнечной системы. Подтвердить такие закономерности можно будет в ближайшем будущем, когда удастся провести больше измерений скорости вращения других экзопланет.
Созвездие Пегаса и ближайшее окружение звезды HR 8799 на небе. ESO/Digitized Sky Survey 2.
Источник: